Hinweise zur Physik der Spektrentypen

 Die Entstehung von Licht und damit auch der Spektrallinien werden wir erst behandeln (und wirklich verstehen), wenn wir Atomphysik betreiben.

Aber manchmal hilft es, schon vorher einen Blick auf die Erklärungsidee zu werfen:

 Physikalischer Hintergrund:

Atome senden Licht aus, wenn ihre Elektronen zwischen Energiezuständen wechseln. Die Differenzenergie wird  in Form von Licht abgestrahlt, wenn das Elektron von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand wechselt.

Da Elektronen nur bestimmte Energiezustände im Atom annehmen können (abhängig vom Stoff), gibt es auch nur bestimmte Energiedifferenzen, also abgestrahlte Wellenlängen.

Das umgekehrte gilt ebenfalls:

Atome absorbieren genau dann ankommendes Licht, wenn dessen Energie möglichst genau dem Energieunterschied zweier Elektronenzustände entspricht. Dann wechselt ein Elektron zu einem höheren Energiezustand. Bei dieser entsprechenden Wellenlänge fehlt dann Licht, der Spektrograph kann kein Bild des Spaltes erzeugen und hinterlässt ein schwarzes Rechteck, eine Absorptionslinie im Spektrum.

Moleküle haben mehr Möglichkeiten Rnergien auszutauschen. Es sind nicht nur Elektronen, die Zustände wechseln, sondern auch das Molekül als Ganzes kann schwingen oder rotieren. Dadurch gibt es viele dichtbeieinander liegende Linien, die zu durchgehenden Bereichen zu verschmelzen scheinen.

So entstehen sog. Banden., die mit hochauflösenden Spektrographen sich als dicht beieinander liegende Folge von Linien erweisen.

Einstein hat erkannt, dass es drei Elementarprozesse für Licht gibt:

Spontane Emission: 

Ein Atom wird angeregt (in der Regel durch Stöße), das Valenzelektron (äußerstes Elektron) bekommt mehr Energie. Spontan gibt es diese Energie wieder ab.

Es ist üblich das mit sog. Energieniveaus und Pfeilen darzustellen. Diese Energieniveaus sind keine Elektronenbahnen.

Absorption:

Ein Atom absorbiert Lichtenergie, erhält ein Elektron mit mehr Energie, ist also angeregt. Die Lichtenergie fehlt dann bei einer bestimmten Wellenlänge im Spektrum.

Da Atome vergesslich sind, senden sie bei der anschließenden spontanen Emission das Licht in irgend eine Richtung. Deshalb fehlt es im fortlaufendem Strahl, bei dieser Wellenlänge ist es also dunkler. 

Absorptionslinien sind also nicht vollkommen schwarz, sie enthalten Restlicht, mit dem man sogar fotografieren kann.

 Induzierte Emission:

Ein angeregtes Atom, also eines mit einem Elektron in einem höheren Energieniveau, wird mit Licht genau der Wellenlänge bestrahlt, die das Atom auch selbst aussenden kann. Dann reagiert das Atom sofort und strahlt ebenfalls Licht bei genau dieser Wellenlänge  ab, dadurch ist das einfallende Licht verstärkt worden.

Diesen Mechanismus hat Einstein entdeckt, er führte letztlich zur Erfindung des Lasers.