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Linienspektrum
Ein Linienspektrum ist ein physikalisches Spektrum, das voneinander getrennte (diskrete) Stellen erhöhter Intensität, sogenannte Spektrallinien, zeigt.
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Grundidee
Ein Linienspektrum ist ein physikalisches Spektrum mit voneinander getrennten, also diskreten, Stellen erhöhter Intensität. Diese Stellen heißen Spektrallinien. Sie können allein auftreten, aber auch neben oder überlagert mit kontinuierlichen Anteilen eines Spektrums vorkommen.
Bei Licht können Linienspektren als Absorptionslinien oder Emissionslinien erscheinen. Absorptionslinien sind dunkle Linien in einem sonst kontinuierlichen Spektrum, weil bestimmte Anteile der Strahlung fehlen. Emissionslinien sind helle Linien, weil Strahlung mit bestimmten Energien ausgesandt wird.
Nicht nur Licht kann ein Linienspektrum besitzen. Auch Teilchenstrahlung kann diskrete Linien zeigen. Dann haben die Teilchen bestimmte, voneinander getrennte kinetische Energien. Als Beispiel nennt der Artikel Alphastrahlung.
Entstehung bei Licht und Röntgenstrahlung
Der Ursprung der Linien liegt in den diskreten Energieniveaus von Atomen, Molekülen und Materialien. Elektronen können sich nur auf bestimmten charakteristischen Energieniveaus „aufhalten“. Ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus geschieht durch Aufnahme oder Abgabe eines Photons.
Ein Photon ist ein Lichtquant, also ein einzelnes Energiepaket elektromagnetischer Strahlung. Seine Energie ist durch die Formel E = h · f gegeben. Dabei ist f die Frequenz der Strahlung und h die Planck-Konstante. Die Energiedifferenz zwischen zwei Energieniveaus entspricht genau der Energie des aufgenommenen oder ausgesandten Photons.
Die Frequenz bestimmt zusammen mit der Lichtgeschwindigkeit c die Wellenlänge des Photons. Dafür gilt λ = c / f. Weil nur bestimmte Energiedifferenzen möglich sind, entstehen nur bestimmte Frequenzen und Wellenlängen. Diese erscheinen im Spektrum als einzelne Linien.
Von allen möglichen Energiezuständen eines Materials wirken im Allgemeinen nur wenige Paare von Energiezuständen als bevorzugte Absorber oder Emitter. Deshalb besteht ein Linienspektrum nicht aus beliebig vielen Linien, sondern aus einem charakteristischen Muster.
Absorption und Emission
Absorptionslinien entstehen, wenn sich zwischen einer Strahlungsquelle mit kontinuierlichem Spektrum und einem Spektrometer ein Material befindet. Dieses Material absorbiert Photonen genau der Energien, die zu seinen Energieniveaus passen. Die absorbierten Photonen fehlen danach im beobachteten Spektrum der Quelle. An diesen Stellen erscheinen dunkle Linien.
Emissionslinien entstehen bei angeregten Atomen oder Molekülen. Ein angeregter Zustand ist ein höherer Energiezustand. Nach kurzer Zeit geht das Atom oder Molekül wieder in einen tieferen Energiezustand zurück. Dabei wird ein Photon ausgesandt. Seine Energie entspricht der Energiedifferenz zwischen dem höheren und dem tieferen Zustand.
Beobachtet man dieses Material von der Seite, also ohne die ursprüngliche Strahlungsquelle direkt zu sehen, erscheinen die ausgesandten Photonen einer bestimmten Energie und damit einer bestimmten Wellenlänge als Emissionslinien im Spektrum.
Informationsgewinn in Physik und Astronomie
Linienspektren von Atomen waren eine wichtige Informationsquelle für die Entdeckung der Quantenmechanik. Besonders das einfache Spektrum des Wasserstoffatoms führte zum Bohrschen Atommodell. Spätere genauere Untersuchungen der Wasserstoff-Spektren zeigten aber, dass dieses Modell die Wirklichkeit nur unzureichend beschreibt. Genauere Beschreibungen lieferten die Theorien von Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli.
In der Astronomie sind Linienspektren wichtig, weil sie für bestimmte Atome oder Moleküle charakteristisch sind. Aus dem Licht eines Himmelskörpers kann man daher bestimmen, welche Elemente im All vorkommen. Ein Beispiel ist Helium: Es wurde zuerst auf der Sonne gefunden, bevor man es auch auf der Erde nachweisen konnte.
Eine weitere Anwendung ist die Bestimmung der Rotverschiebung. Die exakten Energien der Spektren der Elemente sind bekannt, und die Elemente lassen sich am Muster ihrer Linien erkennen. Verschieben sich diese Linien im Spektrum eines Sterns, kann daraus die Rotverschiebung seines Lichts bestimmt werden. Bei näheren Objekten erlaubt dies über den Doppler-Effekt die Bestimmung der Geschwindigkeit des Objekts in Richtung der Sichtlinie. Diese Anwendung wird bei der Suche nach Exoplaneten als Radialgeschwindigkeitsmethode genutzt.
Bei weiter entfernten Objekten kann aus der Rotverschiebung mithilfe des Hubble-Gesetzes die Entfernung des Objekts von der Erde bestimmt werden. Außerdem erlauben Linienspektren der Gammastrahlung in vielen Fällen den Nachweis geringer Mengen eines Radionuklids.
Akustik und Elektrotechnik
Auch in der Akustik und Elektrotechnik gibt es Linienspektren. Ein akustisches Linienspektrum enthält nach DIN 13320 eine oder mehrere diskrete Frequenzen. Periodische Schallvorgänge erzeugen ein Linienspektrum. Aperiodische oder stochastische Schallvorgänge erzeugen dagegen ein kontinuierliches Spektrum, auch Bandenspektrum genannt.
Typische Beispiele sind ein Klangspektrum oder ein periodisches Signal, etwa eine Spannung oder ein Strom. Jede Teilfrequenz des Signals wird durch eine diskrete Spektrallinie dargestellt. Die Lage der Linie auf der Abszisse, also der Frequenzachse, gibt die Frequenz an.
Die Länge einer Spektrallinie zeigt die Amplitude der Schwingung im Amplitudenspektrum oder die Stärke eines Schallvorgangs im Pegelspektrum. Die Frequenzskala wird in der Regel logarithmisch unterteilt. Jede einzelne Spektrallinie mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude stellt eine ideale harmonische, also sinusförmige, Schwingung dar.
Zusätzlich zum Amplitudenspektrum gibt es das Phasenspektrum. Es enthält die Phaseninformation, zum Beispiel den Nullphasenwinkel der Amplituden einer Spannung oder eines Stromes. Amplituden- und Phasenspektrum zusammen beschreiben ein Signal vollständig und sind gleichwertig zur Darstellung des Signals im Zeitbereich.
