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2025-07-28T14:41:04Z

Ursprung der Linien in Licht- und Röntgenspektren

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[[Datei:Alphaspektrum_Pu.jpg|miniatur|Alphaspektrum der Plutoniumisotope 242Pu, 239Pu/240Pu und 238Pu]]
Ein '''Linienspektrum''' ist ein physikalisches [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektrum]], das voneinander getrennte ([[diskret]]e) Stellen erhöhter Intensität, sogenannte [[Spektrallinie]]n, zeigt. Diese Stellen können unter Umständen neben oder überlagert mit [[Spektrum (Physik)|kontinuierlichen Anteilen]] auftreten.

[[Lichtspektrum|Lichtspektren]] können [[Absorptionslinie|Absorptions-]] oder [[Emissionslinie]]n zeigen. Auch [[Teilchenstrahlung]] kann ein Linienspektrum haben; die Teilchen haben dann diskrete [[kinetische Energie]]n, wie beispielsweise bei der [[Alphastrahlung]].
[[Datei:Hg Niederdruck Spektrum.png|miniatur|hochkant=2.0|Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-[[Zeilensensor]]. Untere Aufnahme mit einer Kamera]]

== Ursprung der Linien in Licht- und Röntgenspektren ==
Jedes Material und jedes [[Atom]] oder [[Molekül]] hat charakteristische, diskrete [[Energieniveau]]s, auf denen sich [[Elektron]]en „aufhalten“ können. Der Übergang von einem auf ein anderes Energieniveau erfolgt durch Aufnahme (Übergang vom tieferen auf höheren Zustand) oder Abgabe (Übergang vom höheren in tieferen Zustand) eines [[Photon]]s mit der [[Energie]]
:<math>E=h\cdot f</math>

(mit der [[Frequenz]] <math>f</math> der Strahlung und der [[Planck-Konstante]] <math>h</math>). Die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus entspricht genau der Energie des Photons, und die Energie eines Photons wiederum bestimmt zusammen mit der Lichtgeschwindigkeit <math>c</math> dessen Wellenlänge
:<math>\lambda = \frac{c}{f}</math>.
Von allen möglichen [[Energiezustand|Energiezustände]]n eines Materials sind im Allgemeinen nur wenige Paare von Energiezuständen bevorzugte Absorber oder Emitter.

Wenn sich zwischen einer Strahlungsquelle mit kontinuierlichem Spektrum und einem [[Spektrometer]] (etwa zum Messen des Spektrums) ein Material befindet, absorbiert es Photonen derjenigen Energien, die durch die Energiezustände des Materials gegeben sind.
Die absorbierten Photonen fehlen dann im beobachteten Spektrum der Quelle; dadurch erscheinen dunkle Absorptionslinien.

Ein angeregtes Atom oder Molekül geht nach einer kurzen Zeitspanne wieder in einen tieferen Energiezustand zurück.
Dabei wird ein Photon ausgesandt, dessen Energie der Energiedifferenz zwischen höherem und tieferem Energiezustand entspricht.
Wenn man dieses Material von der Seite, das heißt ohne dass die Strahlungsquelle sichtbar ist, beobachtet, erscheinen diese Photonen einer bestimmten Energie (und somit Wellenlänge) als Emissionslinien im Spektrum.

== Informationsgewinn aus Linienspektren ==
Linienspektren von [[Atom]]en waren eine wichtige Informationsquelle für die Entdeckung der [[Quantenmechanik]]. Das besonders einfache Spektrum des Wasserstoffatoms gab den Anstoß zum [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodell]]. Genauere Untersuchungen der Wasserstoff-Spektren machten später deutlich, dass dieses Atommodell die Wirklichkeit nur unzureichend beschreibt und die Theorien von [[Werner Heisenberg]] und [[Wolfgang Pauli]] eine genauere Beschreibung liefern.

In der [[Astronomie]] sind Linienspektren eine Quelle für Information über das Universum. Die Linienspektren sind charakteristisch für das jeweilige Atom oder Molekül, daher lassen sich aus dem Licht die im All vorkommenden Elemente bestimmen. Auf diese Weise wurde zum Beispiel das [[Helium]] zunächst auf der Sonne gefunden, bevor man es auch auf der Erde nachweisen konnte.

Linienspektren haben in der Astronomie eine weitere Anwendung: Da die exakten Energien der Spektren der Elemente bekannt sind und die Elemente anhand des Musters der Linien identifiziert werden können, kann man aus dem Linienspektrum eines Sterns die [[Rotverschiebung]] seines Lichts bestimmen. Für nähere Objekte erlaubt dies über den [[Doppler-Effekt]] eine Bestimmung der Geschwindigkeit des Objekts in Richtung der Sichtlinie. Dieser Sachverhalt findet bei der Suche nach [[Extrasolarer Planet|Exoplaneten]] als Radialgeschwindigkeitsmethode Anwendung. Für weiter entfernte Objekte erhält man aus der Rotverschiebung aufgrund des [[Hubble-Konstante|Hubble-Gesetzes]] die Entfernung des Objekts von der Erde.

Die Linienspektren der [[Gammastrahlung]] erlauben in vielen Fällen den Nachweis geringer Mengen eines [[Radionuklid]]s.

== Linienspektrum in der Akustik und Elektrotechnik ==
Ein akustisches Linienspektrum enthält eine oder mehrere diskrete Frequenzen (DIN 13320). Periodische Schallvorgänge erzeugen ein Linienspektrum, aperiodische oder stochastische Schallvorgänge ein kontinuierliches Spektrum (Bandenspektrum). Ein typisches Beispiel für ein Linienspektrum ist etwa das [[Klangspektrum]] oder ein periodisches Signal (Spannung bzw. Strom).

Beim Linienspektrum wird jede Teilfrequenz des Signals durch eine diskrete Spektrallinie symbolisiert. Die Frequenz wird durch die Lage auf der Abszisse (Frequenzachse) dargestellt; die Länge einer solchen Linie stellt die [[Amplitude]] der Schwingung (Amplitudenspektrum) oder die Stärke eines Schallvorgangs (Pegelspektrum) dar. Die Frequenzskala wird in der Regel logarithmisch unterteilt. Jede Spektrallinie (konstante Frequenz, konstante Amplitude) stellt für sich eine ideale harmonische (d. h. sinusförmige) Schwingung (also z. B. Spannung) dar. Das zugehörige Phasenspektrum stellt die Phaseninformation (Nullphasenwinkel) z. B. der Amplituden einer Spannung oder eines Stromes dar. Amplituden- und Phasenspektrum zusammen beschreiben ein Signal äquivalent zu seiner Zeitbereichsdarstellung.

== Literatur ==
* [[Dieter Meschede]]: ''[[Gerthsen Physik]].'' 23. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2006, ISBN 978-3-540-25421-8.
* Thomas Görne: ''Tontechnik.'' 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9.

[[Kategorie:Akustik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Beobachtende Astronomie]]

Linienspektrum - Versionsgeschichte

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