Spektroskopie und das elektromagnetische Spektrum

Auf einem Grabstein in München steht ein lateinischer Satz: „Approximavit sidera" — er brachte uns die Sterne näher. Der Mann darunter, Joseph von Fraunhofer, war mit elf Jahren Vollwaise, überlebte mit vierzehn den Einsturz eines Hauses und wurde Leiter einer Glashütte in Benediktbeuern. Dort ritzte er mit einem Diamanten Tausende feiner, paralleler Linien in Glas — das erste optische Gitter. Wieso bringt ein geritztes Stück Glas die Sterne näher?

Vom Gitter weißt du bereits: Es lenkt jede Wellenlänge unter einem anderen, berechenbaren Winkel ab ($\sin {\alpha }_k=k\lambda /b$). Eine Winkelmessung wird damit zur Wellenlängenmessung. Der Schritt zum Spektroskop ist, dieses Prinzip in ein Gerät zu gießen, das das Licht einer beliebigen Quelle sauber zerlegt. Der Aufbau aus dem Praktikum, Stück für Stück begründet:

• Ein Kondensor sammelt das Licht der Quelle und bildet es auf einen schmalen Spalt ab — der Spalt wird zur eigentlichen, scharf begrenzten Lichtquelle.
• Eine Linse bildet den Spalt scharf auf den Schirm ab — ohne Gitter entsteht dort ein einziges weißes Spaltbild.
• Das Gitter im Strahlengang vervielfältigt dieses Spaltbild: Das Maximum 0. Ordnung bleibt weiß (Gangunterschied null für alle Farben), aber in den höheren Ordnungen bekommt jede Wellenlänge ihren eigenen Winkel — Rot weiter außen als Blau, jede Farbe ein eigenes, scharfes Spaltbild.

Das Spektrum ist also eine Reihe von Spaltbildern, sortiert nach Wellenlänge. Und jetzt wird es interessant, denn verschiedene Quellen schreiben verschieden:

• Die Glühlampe liefert ein kontinuierliches Spektrum — ein lückenloses Farbband von Violett bis Rot.
• Leuchtender Dampf (etwa die Quecksilberdampflampe) liefert ein Linienspektrum — einzelne scharfe, farbige Spaltbilder auf schwarzem Grund.

Kirchhoff und Bunsen erkannten darin ein Naturgesetz: Jedes Element sendet sein eigenes, unverwechselbares Linienmuster aus — einen Fingerabdruck aus Licht. Umgekehrt gilt es auch: Durchquert kontinuierliches Licht einen kühleren Dampf, schluckt dieser genau seine Fingerabdruck-Frequenzen. Im hellen Band erscheinen dunkle Linien — das Absorptionsspektrum, das Gegenstück zum Emissionsspektrum des selbst leuchtenden Stoffs.

Genau solche dunklen Linien fand Fraunhofer zu Hunderten im Sonnenspektrum — die Fraunhofer-Linien. Heute wissen wir, was sie bedeuten: Das kontinuierliche Licht aus dem heißen Sonneninneren durchquert die kühleren Gase der Sonnenatmosphäre, und jedes Element dort hinterlässt seine dunklen Fingerabdrücke. Die chemische Zusammensetzung eines Sterns, 150 Millionen Kilometer entfernt, abgelesen aus geritztem Glas — Approximavit sidera ist wörtlich gemeint.

Wo liegt eigentlich die Grenze des Sichtbaren? Misst man mit dem Gitterverfahren die Ränder des Spektrums aus, ergibt sich der Bereich 380 nm bis 750 nm:

Aber das Spektrum hört an diesen Rändern nicht auf — nur unser Auge tut es. Zwei Detektoren aus dem Versuch verlängern den Blick: Führt man eine Thermosäule über das Spektrum, schlägt sie jenseits des roten Endes weiter aus — dort liegt die Infrarotstrahlung (Wärmebild, IR-Fotografie, Fernbedienung). Ein Fluoreszenzschirm leuchtet jenseits des violetten Endes auf — Ultraviolett (Hautmedizin, Desinfektion; die optischen Aufheller im Waschmittel lassen weiße Wäsche im UV-Anteil des Tageslichts „weißer" leuchten). Radiowellen, Mikrowellen, Licht, Röntgen- und Gammastrahlung sind ein und dasselbe Phänomen — elektromagnetische Wellen, unterschieden allein durch die Frequenz ($f=c/\lambda$):

Halte einen Moment inne bei dem grünen Block: Mehr als zwölf Zehnerpotenzen Frequenz überstreicht das Spektrum, und das Sichtbare belegt davon nicht einmal eine Oktave. Alles, was du je gesehen hast, fand in diesem schmalen Spalt statt.

Damit ist die Spektroskopie als Messverfahren komplett: Gitter plus Winkelmessung übersetzt Licht in Wellenlängen, und das Linienmuster übersetzt Wellenlängen in Elemente. Die Gerichtsmedizin weist so geringste Giftspuren nach, die Kunstgeschichte unterscheidet Goldrubin- von Kupferrubinglas, die Astronomie liest die Chemie der Sterne. Warum jedes Element genau seine Linien aussendet — die Frage führt in die Quantenphysik und bekommt dort ihre eigene Antwort.