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2024-08-23T10:30:04Z

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Als '''Spektrallinien''' oder '''Resonanzlinien''' bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektrums]] emittierter (Emissionslinien) oder [[Absorption (Physik)|absorbierter]] (Absorptionslinien) [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer Wellen]], im engeren Sinne innerhalb des [[Elektromagnetisches Spektrum|Wellenlängenbereichs]] des [[Sichtbares Licht|sichtbaren Lichts]] ([[Lichtspektrum]]). Spektrallinien werden durch [[Wellenlänge]], [[Übergangsdipolmoment|Linienintensität]] und [[Linienbreite]] charakterisiert. Die Ursache der Spektrallinien sind die durch Licht angeregten [[Elektronischer Übergang|elektronischen Übergänge]] in [[Atom]]en oder [[Molekül]]en.

Die Namensgebung Spektral''linie'' geht historisch darauf zurück, dass in üblichen [[Spektrometer]]n ein [[Optischer Spalt|Eingangsspalt]] vorhanden ist, dessen Form sich auf dem Schirm oder im Auge des Betrachters abbildet. Der Name wurde später auch auf die [[Peak]]s (d. h. Maxima) in einem als Intensitätskurve aufgezeichneten Spektrum übertragen.

[[Datei:Cd Niederdruck Spektrum.png|mini|Spektrum einer Niederdruck-Cadmiumdampflampe, obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-[[Zeilensensor]], untere Aufnahme mit einer Kamera]]

Spektrallinien treten bei der instrumentellen [[Atomspektroskopie]] (wie beispielsweise [[Kernresonanzspektroskopie]]) oder der [[Flammenfärbung]] auf. Sie werden unter anderem in der [[Astronomie]] zur Analyse der [[Sternaufbau|molekularen Struktur von Sternen]], [[Planet]]en und [[Interstellare Materie|interstellarer Materie]] verwendet, die sonst unmöglich wäre. Sie wurden bei der [[Brechung (Physik)|Brechung]] des Lichts der Sonne durch ein [[Prisma (Optik)|Prisma]] im 19. Jahrhundert entdeckt, woraus sich dann [[Spektroskop]]e entwickelten, mit denen ein weites Feld von Anwendungsmöglichkeiten für die [[Spektroskopie|Spektralanalyse]] entstand.

== Grundlagen ==
[[Datei:Spectral-lines-continuous.svg|mini|[[Spektrum (Physik)|Kontinuierliches Lichtspektrum]] ohne Spektrallinien]]
Eine Spektrallinie ist das [[Licht]] einer genau definierten [[Frequenz]], das von einem Atom oder Molekül aufgrund eines Übergangs aus einem [[Energieniveau]] auf ein anderes abgegeben (emittiert) oder aufgenommen (absorbiert) wird. Die Frequenz wird durch die [[Energie]] des emittierten oder absorbierten [[Photon]]s bestimmt; diese ist gleich dem Unterschied zwischen den Energien der beiden [[Quantenmechanischer Zustand|quantenmechanischen Zustände]]. Die Frequenz ist charakteristisch für diesen bestimmten Übergang in der gegebenen Atomsorte. Daher kann man durch Beobachtung von Spektrallinien Atomsorten unterscheiden.

=== Emissionslinie ===
[[Datei:Spectral-lines-emission.svg|mini|Emissionslinien]]
Eine [[Emissionsspektrum|Emissionslinie]] zeigt sich im Spektrum als helle Linie. Sie entsteht beim Übergang von einem höheren auf ein tieferes [[Energieniveau]], beispielsweise wenn ein Elektron von einem [[angeregter Zustand|angeregten Zustand]] in den [[Grundzustand]] übergeht. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen ([[spontane Emission]]) oder, wie z. B. beim [[Laser]], durch Licht passender Frequenz angeregt werden ([[stimulierte Emission]]).

=== Absorptionslinie ===
[[Datei:Spectral-lines-absorption.svg|mini|Absorptionslinien]]
[[Datei:H2O Absorption.png|mini|Resonanzabsorption von H<sub>2</sub>O-Gas bei 1519 nm]]
Bei Einstrahlung von Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum (also einem Frequenzgemisch) ergibt sich durch [[Resonanzabsorption]] von Photonen passender Frequenz eine [[Absorptionsspektrum|Absorptionslinie]], indem ein Übergang von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau induziert wird – beispielsweise, wenn ein Elektron durch das Photon aus dem [[Valenzband]] in das [[Leitungsband]] „gehoben“ wird (vgl. [[photoelektrischer Effekt]]).

Beim Rückfall in das niedrigere Energieniveau werden Photonen [[isotrop]], d. h. in beliebige Richtungen, emittiert.

Beides führt dazu, dass das Licht vom durchstrahlten Stoff bei dieser Frequenz diffus [[Streuung (Physik)|gestreut]] wird. Sofern ausreichend viele absorbierende Atome vorhanden sind, kommt es dadurch zu
* einer dunklen Linie im kontinuierlichen Spektrum des durchscheinenden Lichts ([[Fraunhoferlinie]]); dies ist meistens mit dem Begriff Absorptionslinie gemeint
* einer hellen Linie vor dunklem Hintergrund, wenn das vom Gas seitlich austretende gestreute Licht analysiert wird; diese Art von heller Linie nennt man aufgrund historisch entstandener [[Terminologie]] ''nicht'' Emissionslinie; als solche werden Linien nämlich nur dann bezeichnet, wenn die Anregung ''nicht durch Licht der gleichen Frequenz'' erfolgte.

== Emissionsprofile ==
Das Licht einer Spektrallinie enthält nicht eine einzelne, scharf bestimmte Frequenz, sondern umfasst einen (schmalen) Frequenzbereich. Die [[Halbwertsbreite]] dieses Bereiches nennt man ''[[Linienbreite]]''.
Die Linienbreite einer Emissionslinie setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen:
;Lorentz-Profil: Die ''natürliche Linienbreite'' ergibt sich aus der [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des [[Angeregter Zustand|angeregten Zustands]] durch die [[heisenbergsche Unschärferelation]]. Diese hat die Form einer [[Lorentz-Kurve]]. Es ist nicht möglich, diese zu verringern.
;Gauß-Profil: Aufgrund der thermischen Bewegung der Atome entsteht ein [[Doppler-Effekt]], der das Licht eines einzelnen Atoms oder Moleküls je nach Bewegungsrichtung rot- oder blauverschiebt. Aufgrund der statistischen Bewegung ergibt sich insgesamt eine breitere Frequenzverteilung. Diesen Effekt nennt man ''[[Doppler-Verbreiterung]]''. Sie hat die Form einer [[Gauß-Kurve]] und ist abhängig von der [[Temperatur]]. Meist dominiert die Dopplerbreite deutlich über die natürliche Linienbreite. Der Mechanismus ist auch unter dem Begriff ''inhomogene [[Linienverbreiterung]]'' bekannt.
;Voigt-Profil: Eine Lorentz-Kurve endlicher Breite erscheint bei einer Messung gegenüber ihrer bekannten Form verändert, wenn die [[Apparatefunktion]] der Messanordnung eine Halbwertsbreite in der Größenordnung der betrachteten Lorentz-Kurve aufweist. Die Linienform lässt sich dann durch die [[Faltung (Mathematik)|Faltung]] aus Lorentz-Kurve und Apparatefunktion beschreiben. Ist die Apparatefunktion eine Gauß-Kurve, spricht man bei dem Ergebnis der Faltung von einem [[Voigt-Profil]].

== Geschichte ==
Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch [[William Hyde Wollaston]] und 1814, unabhängig von ihm, durch [[Joseph von Fraunhofer]] im Spektrum der [[Sonne]]. Diese dunklen Linien im Sonnenspektrum werden auch ''[[Fraunhofersche Linien]]'' genannt.

Die Spektrallinien trugen neben anderen Effekten zur Entwicklung der [[Quantenmechanik]] bei. Ein in einem Atom gebundenes [[Elektron]] könnte nach der klassischen Elektrodynamik elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenzen abstrahlen; die Existenz von diskreten Linien war klassisch nicht erklärbar. Die Entdeckung, dass die Frequenzen der Spektrallinien des [[Wasserstoffatom]]s proportional zu einem Ausdruck der Form <math>(1/n^2 - 1/m^2)</math> mit ganzen Zahlen <math>m</math> und <math>n</math> sind, führte zum Konzept der [[Quantenzahl]] und brachte [[Niels Bohr]] schließlich auf sein [[Bohrsches Atommodell]], das erste – heute überholte – quantenmechanische Atommodell.
Die moderne Quantenmechanik kann die Spektrallinien der Atome mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen.

== Literatur ==
* [[Heinz Haferkorn]]: ''Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen.'' 4. Auflage. Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-40372-8.
* [[Ingolf Volker Hertel]], Claus-Peter Schulz: ''Atome, Moleküle und optische Physik 1.'' Springer, 2008, ISBN 978-3-540-30617-7.
* Peter M. Skrabal: ''Spektroskopie.'' Vdf, 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Spectral lines|Spektrallinien}}
* [https://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/software/hydrogenlab/Atomphysik/08_Stunde/Spektralanalyse/Spektrallinien.htm Spektrallinien von Schülern fotografiert]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4182165-8}}

[[Kategorie:Spektroskopie]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie]]

Spektrallinie - Versionsgeschichte

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