Emissionsspektrum

Grundbegriff und Bedeutung

Ein Emissionsspektrum ist das elektromagnetische Spektrum, das von Atomen, Molekülen oder Materialien ausgestrahlt wird, ohne dass elektromagnetische Strahlung gleicher Frequenz eingestrahlt wird. Es beschreibt also, welche Strahlung ein Medium selbst aussendet. Das Gegenstück ist das Absorptionsspektrum, das zeigt, welche Strahlung aufgenommen wird.

Emissionsspektren entstehen unter anderem durch hohe Temperaturen sowie durch direkte elektrische oder chemische Anregung. Sie bestehen je nach Aufbau des emittierenden Mediums aus einzelnen Emissionslinien, aus Emissionsbanden oder aus einem kontinuierlichen Spektrum. Diskrete Energieniveaus führen zu einem Linienspektrum, während Energiebänder ein kontinuierliches Spektrum hervorrufen.

Emissions- und Absorptionsspektren werden in der Spektroskopie, insbesondere in der Atomspektroskopie, zur qualitativen und quantitativen Analyse verwendet. Anhand der Lage und Intensität der Linien oder Banden können Stoffe untersucht werden.

Emissionsspektrum einzelner Atome

Ein Atomspektrum ist das Emissionsspektrum eines einzelnen isolierten Atoms. Es gibt die Intensität des ausgesandten Lichts als Funktion der Wellenlänge oder der Frequenz an. Jede Spektrallinie entspricht der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Diese Energie kann beispielsweise durch ein absorbiertes Photon zugeführt und anschließend in Form eines anderen Photons wieder abgegeben werden.

Die Energiedifferenzen sind diskret und können nicht beliebige Werte annehmen. Deshalb emittiert jedes Atom entsprechend seiner spezifischen Elektronenkonfiguration nur Photonen mit bestimmten, diskreten Wellenlängen. Diese Wellenlängen sind charakteristisch für die einzelnen chemischen Elemente.

Spektrallinien sind exakt betrachtet keine vollkommen schmalen Linien, sondern Kurven mit einer bestimmten Breite. Bei steigendem Gasdruck werden sie breiter. Ursache ist, dass die Atome bei höherem Druck häufiger zusammenstoßen und sich dabei gegenseitig stören. Bei sehr hohem Druck können die Linien so breit werden, dass praktisch ein Lichtkontinuum ähnlich dem eines strahlenden Festkörpers entsteht. An der Spektrallinie bei 491,6 nm lässt sich erkennen, wie stark ihre relative Intensität vom jeweiligen Gasdruck abhängt. Das Spektrum von Cadmium zeigt eine andere Charakteristik der Spektrallinien als das dargestellte Quecksilberspektrum.

Wird durch die Absorption eines Photons ein Elektron vollständig aus seinem Atom gelöst, heißt dieser Vorgang Ionisierung. Dafür ist abhängig vom Ausgangszustand des Elektrons eine bestimmte Mindestenergie erforderlich. Wird mehr als diese Mindestenergie zugeführt, sind in diesem Energiebereich auch kontinuierliche Spektren möglich. Der umgekehrte Vorgang ist die Rekombination: Ein positives Ion fängt ein Elektron ein und emittiert dabei ein Photon. Auch hierbei kann kontinuierliche Strahlung entstehen, das sogenannte Grenzkontinuum.

Molekülspektrum

Ein Molekülspektrum ist im Ergebnis dem beschriebenen Atomspektrum gleich: Es stellt die Intensität der von einem Molekül ausgesandten Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder Frequenz dar. Die Energieniveaus von Molekülen sind jedoch zumeist anders als die von einzelnen Atomen. Daher liegen die für Molekülspektren relevanten Linien im Infraroten.

Heiße Festkörper und Flüssigkeiten

Verdünnte Gase erzeugen ein Linienspektrum. Heiße Festkörper und Flüssigkeiten emittieren dagegen ein kontinuierliches Spektrum. In diesen Materialien wechselwirken die einzelnen Atome zusätzlich miteinander. Dadurch gehen die diskreten Quantenzustände ineinander über, sodass keine voneinander getrennten Spektrallinien mehr beobachtet werden.

Ein solches kontinuierliches Spektrum lässt sich berechnen, indem man das Spektrum eines Schwarzen Strahlers gleicher Temperatur, beschrieben durch das Plancksche Strahlungsgesetz, mit dem Absorptionskoeffizienten des untersuchten Objekts für elektromagnetische Strahlung bei der jeweiligen Wellenlänge multipliziert.