Spektrum

Als elektromagnetisches Spektrum oder elektromagnetisches Wellenspektrum bezeichnet man die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Energien. Das Spektrum wird zur besseren Unterscheidung in verschiedene Bereiche unterteilt. Diese Einteilung ist willkürlich und orientiert sich aus historischen Gründen im niederenergetischen Bereich an der Wellenlänge.

Gesamtheit der charakteristischen Linien (Spektrallinien) oder Banden bestimmter Frequenzen, die von Atomen oder Molekülen ausgestrahlt oder absorbiert werden. Die Lehre von der Erzeugung und Beobachtung der Spektren sowie ihrer Messung und Deutung ist die Spektroskopie. Je nach der Beobachtungsart unterscheidet man Emissionsspektren (helle Linien auf dunklem Grund), Absorptionsspektren (dunkle Linien auf hellem Grund) und Reflexionsspektren.

Freie Atome zeigen Lumineszenzspektren (Atomspektren), Moleküle Bandenspektren (Molekülspektren). Die Spektren fester Körper sind vorwiegend kontinuierlich. Im weitesten Sinne versteht man unter einem Spektrum die Zerlegung von periodischen oder nicht­periodischen Vorgängen in harmonische Teilschwingungen, (Fourier-Spektroskopie).

Die Umrechnung von der Wellenlänge in eine Frequenz f erfolgt mit der einfachen Formel f = c / λ , also Lichtgeschwindigkeit (im jeweiligen Medium) geteilt durch die Wellenlänge.

Kontinuierliches Spektrum

Ein kontinuierliches Spektrum (von lateinisch spectrum Bild, Erscheinung, Gespenst und lateinisch continere enthalten, einnehmen, zusammen-, festhalten) ist ein Spektrum, in welchem die interessierende Größe (Wellenlänge, Intensität etc.) in einem Bereich auch sämtliche reellen Zwischenwerte annimmt.
Es handelt sich also nicht um ein diskretes Spektrum, das nur an getrennten (diskreten) Stellen von Null verschiedene Werte zeigt.

Strahlung

Strahlung, ein sich in den Raum ausbreitender Vorgang, der mit dem Transport von Energie und/oder Materie verbunden ist. Unter Strahlung versteht man auch diese Energie oder Materie selbst. Man unterscheidet zwischen Wellenstrahlung und Partikelstrahlung. Unter der Wellenstrahlung versteht man im allgemeinen die elektromagnetische Strahlung, zu der auch das Licht gehört und die in der Ausbreitung eines periodisch sich ändernden elektromagnetischen Feldes besteht. Allerdings kann man auch die Schallausbreitung als (mechanische) Wellenstrahlung bezeichnen.

Die Partikelstrahlung wird auch Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung genannt. Sie besteht aus sehr schnell bewegten Teilchen besonders Elementarteilchen. Die radioaktive Strahlung ist teilweise eine Partikelstrahlung, und zwar besteht die radioaktive Alphastrahlung aus α-Teilchen, die radioaktive Betastrahlung aus β-Teilchen. Auch die Höhenstrahlung oder kosmische Ultrastrahlung ist vorwiegend eine Partikelstrahlung. Die primäre Höhenstrahlung besteht insbesesondere aus Protonen, die sekundäre Höhenstrahlung aus Elektronen, Positronen, Mesonen und Hyperionen.

Bei der elektromagnetischen Wellenstrahlung breitet sich die Energie in Form elektromagnetischer Schwingungen mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die elektromagnetische Strahlung besteht aus den verschiedenartigsten Komponenten, die durch ihre Wellenlänge oder ihre Frequenz charakterisiert werden.

Die einzelnen Bereiche gehen ohne scharfen Grenzen ineinander über bzw. überlappen sich auch. Kurzwellige Strahlung (ultraviolettes Licht und kürzer) hat ausgeprägte biologische Wirkung auf lebende Organismen und deshalb medizinische und therapeutische Bedeutung. Infrarote Strahlung macht sich durch ihre Wärmewirkung bemerkbar. Sie findet z. B. zur Trocknung und zu anderen Zwecken auch technische Verwendung. Die Bezeichnung Wärmestrahlung für sie ist nicht korrekt und veraltet aber zutreffend.

Unter der optischen Strahlung versteht man nicht nur die sichtbare Strahlung, sondern auch noch die weit ins Ultraviolette sowie ins Infrarote (nahes IR und teilweise mittleres IR) reichende Strahlung.

Allgemein gelten für die elektromagnetische Strahlung insbesondere für die optische Strahlung die Gesetze der geradlinigen Fortpflanzung, der Brechung, Spiegelung, Beugung, Interferenz und Polarisation. Die optische Strahlung entsteht in Strahlungsquellen , der von ihr erfüllte Raum heißt Strahlungsfeld und die für den Strahlungsempfang eingerichtete Meßanordnung Strahlungsempfänger.
Die in einem Strahlungsfeld transportierte Energie verteilt sich bei ungestörter Ausbreitung gleichmäßig nach allen Richtungen. Damit nimmt die Strahlungsdichte mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle nach dem quadratischen Entfernungsgesetz ab.

Von besonderer Bedeutung für die Theorie der Strahlung ist die schwarze oder Hohlraumstrahlung.

Je nach Art der Erzeugung und des Nachweises der Strahlung teilt man das gesamte elektromagnetische Spektrum in verschiedene, teilweise überlappende Bereiche ein. Vergleiche untere Tabelle

Spektrallinien

Als Spektrallinien oder Resonanzlinien bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums emittierter (Emissionslinien) oder absorbierter (Absorptionslinien) elektromagnetischer Wellen, im engeren Sinne innerhalb des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts (Lichtspektrum). Spektrallinien werden durch Wellenlänge, Linienintensität und Linienbreite charakterisiert. Die Ursache der Spektrallinien sind die durch Licht angeregten elektronischen Übergänge in Atomen oder Molekülen.

Eine Emissionslinie entsteht beim Übergang von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, beispielsweise wenn ein Elektron von einem angeregten Zustand in den Grundzustand übergeht. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen (spontane Emission) oder, wie beispielsweise beim Laser, durch Licht passender Frequenz angeregt werden (stimulierte Emission). Sie zeigt sich im Spektrum als helle Linie.

Fraunhoferschen Linien

Absorptionslinien im Spektrum der Sonne. Aus dem eingestrahlten Licht, das ein kontinuierliches Spektrum aufweist, wird bei bestimmten Wellenlängen Strahlung absorbiert, was die schwarzen Linien hervorruft.

Absorpsionslinien in einem Spekrum.
Sie entstehen durch die in der Strahlungsquelle enthaltenen Elemente.

Fraunhofer entdeckte die nach ihm benannten Linien unabhängig von Wollaston und untersuchte sie eingehend. Er stellte 1814 ein Verzeichnis von mehreren hundert Linien auf. Den stärksten Absortionslinien ordnete er große lateinische Buchstaben zu. Die Absorptionslinien lassen sich zur quantitativen Spektralanalyse verwenden.

Später entdeckten Gustav Robert Kirchhoff und Robert Bunsen, dass jedes chemische Element mit einer spezifischen Anzahl und Anordnung von Spektrallinien assoziiert war. Sie schlossen hieraus, dass die von Wollaston und Fraunhofer beobachteten Linien den Absorptionseigenschaften dieser Elemente in den oberen Schichten der Sonne geschuldet waren und diese daher auch in der Photosphäre vorliegen mussten. Einige der Linien werden jedoch auch durch die Bestandteile der Erdatmosphäre hervorgerufen.