Sicherlich hast du schon mal einen Regenbogen gesehen und dich über die bunten Farben gefreut! Doch wusstest du, dass dieser alle möglichen Farben des Farbspektrums enthält? In diesem Artikel lernst du mehr über Farbspektren und welche Rückschlüsse sich aus diesen Spektren ziehen lassen!
Wie entsteht ein Spektrum?
Zunächst müssen wir überhaupt festlegen über was genau wir reden, wenn wir Licht meinen: Denn Licht ist eine elektromagnetische Welle. Und elektromagnetische Wellen gibt es mit vielen verschiedenen Wellenlängen, von denen nur ein sehr kleiner Teil für uns als Licht sichtbar ist.
Denn von Radiowellen über die Infrarotstrahlung bis hin zu unserem sichtbaren Licht im langwelligem Bereich und vom Licht zu Ultravioletter-, Röntgen- und Gammastrahlung im kurzwelligem Bereich gibt es noch viele andere elektromagnetische Strahlungen. In Abbildung 1 siehst du eine Einordnung des für uns sichtbaren Lichts in das elektromagnetische Spektrum:
Abb. 1 – Einordnung des sichtbaren Lichts im Vergleich mit anderer elektromagnetischer Strahlung
Nun, da du weißt, wo das sichtbare Farbspektrum einzuordnen ist, können wir dieses Spektrum weiter unterteilen. Denn je nach Wellenlänge des Lichts sehen wir eine andere Farbe. Aber nur so lange das Licht im für das menschliche Auge sichtbarem Bereich ist.
Der sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums liegt etwa zwischen einer Wellenlänge von 380 Nanometer bis 750 Nanometer. Diesen Bereich nennen wir sichtbares Spektrum und unterteilen ihn je nach Wellenlänge in verschiedene Spektralfarben.
Je nach Wellenlänge können wir das sichtbare Spektrum in Farben, sogenannte Spektralfarben, unterteilen. Die langwelligste Spektralfarbe ist rot, die kurzwelligste ist violett.
Fragst du dich, warum wir verschiedene Farben mit unserem Auge wahrnehmen?
Aufgrund der verschiedenen Wellenlängen des Lichts werden Farben von verschiedenen Rezeptoren im Auge, sogenannten Zapfen, empfangen. Der Mensch hat Zapfen für Rot, Blau und Grün. Aus der Mischung der drei Rezeptoren im Gehirn können wir alle Farben sehen! Mehr dazu kannst du im Artikel über das menschliche Auge nachlesen.
Andere Lebewesen können auch außerhalb des Farbspektrums liegende, für uns nicht sichtbare, Wellenlängen von Licht sehen: Bienen können beispielsweise einen Teil der ultravioletten Strahlung sehen, mit denen sie die Innenseite einer Blüte besser ernennen können!
Kaum vorzustellen, wie für andere Lebewesen die Welt aussieht, denn wir können UV-Strahlung nur an einem Sonnenbrand sehen, falls wir uns zu lange ihr ausgesetzt haben.
Im Alltag siehst du jedoch wahrscheinlich nicht viel Beleuchtung in reinen Spektralfarben. Denn meistens handelt es sich bei Licht um weißes Licht wie beispielsweise das Sonnenlicht. Dieses besteht aus einer Überlagerung aller Spektralfarben gemeinsam! Weißes Licht deckt also oft große Teile des Farbspektrums ab. Überprüfen können wir das mit der Farbzerlegung, die wir im nächsten Kapitel behandeln.
Farbspektrum – Prisma
Trifft weißes Licht auf ein Prisma, kommt es auf der anderen Seite bunt wieder heraus, ähnlich wie der Farbverlauf bei einem Regenbogen. Doch wie kommt dieser Effekt zustande? Schauen wir uns mal an wie die Farbzerlegung funktioniert!
Abb. 2 – Ein Prisma zerlegt weißes Licht in die Spektralfarben
Die sogenannte Dispersion des Lichts entsteht durch Brechung an dem Prisma. Das Licht ändert dabei, je nach Wellenlänge bzw. Farbe, beim Übergang in ein anderes Medium seine Lichtgeschwindigkeit unterschiedlich stark. Der Übergang ist hier von Luft auf das Glas des Prismas und vom Glas zurück in die Luft. Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der einzelnen Farben des Lichts werden diese auch verschieden stark gebrochen.
Trifft weißes Licht auf ein Prisma, wird es in ein kontinuierliches Farbspektrum zerlegt. Den Vorgang nennen wir Farbzerlegung oder Dispersion. Je kleiner die Wellenlänge bzw. je näher an der Farbe Violett das Licht, desto stärker wird das Licht gebrochen.
Sir Isaac Newton entdeckte 1666 die Spektralfarben des Lichts. Er fand heraus, dass ein Lichtstrahl zweimal gebrochen wird, wenn er durch ein Glasprisma fällt. Das erste Mal wurde das Licht gebrochen beim Eintritt in das Prisma und das zweite Mal beim Verlassen des Prismas. Außerdem fand er heraus, dass verschiedene Wellenlängen, die den verschiedenen Spektralfarben entsprechen, unterschiedlich stark gebrochen werden.
Wenn alle Farben des Spektrums nach dem Aufteilen mit dem Prisma wieder zusammen durch eine Linse fallen, erhalten wir wieder das ursprüngliche weiße Licht. Dabei werden die unterschiedlichen Spektralfarben addiert.
Dies ist der Beweis, den Isaac Newton dafür fand, dass das weiße Licht aus den verschiedenen Wellenlängen des Spektrums besteht.
Abb. 3: Versuchsaufbau für die Farbzerlegung(Quelle: pixabay.com)
Die einzelnen Farben, die bei der Farbzerlegung entstehen, sind nicht weiter zerlegbar. Diese einzelnen Farben nennen wir Spektralfarben. Mischen wir alle Spektralfarben wieder zusammen, erhalten wir wieder weißes Licht.
Die Farben die bei einer Farbzerlegung entstehen, heißen Spektralfarben. Sie sind nicht weiter zerlegbar und ergeben gemeinsam wieder weißes Licht.
Farbspektrum – Gitterspektrum
Wir können weißes Licht nicht nur mit einem Prisma zerlegen, sondern auch mithilfe eines optischen Gitters.
Schau dir mal den Versuchsaufbau in Abbildung 3 an. Du siehst, wie weißes Licht von Links auf das Gitter trifft, hier wird es aufgespalten.
Im Bild siehst du den Verlauf des gelben Lichts nach dem Gitter: in der Mitte trifft das Licht wieder zusammen und es entsteht ein weißer Strich. Doch daneben sind mehrere Ordnungen an Spektren sichtbar. Im Bild ist jeweils nur die nullte und erste Ordnung eingezeichnet.
Mehrere Ordnungen bedeutet in diesem Fall, dass das Spektrum mehrfach am Schirm nebeneinander vollständig abgebildet wird. Je höher die Ordnung, desto weniger hell wird das Spektrum abgebildet. Die Spektren enthalten wieder, wie die des Prismas, alle Spektralfarben.
Abb. 4 – Durch Beugung am Gitter findet eine Farbzerlegung statt, die Spektren sind dann in mehreren Ordnungen am Schirm sichtbar.
Doch wie kommt diese Dispersion zustande?
Durch Beugung spaltet sich das einfallende weiße Licht in eine Reihe von Spektren auf, da der rötliche langwellige Lichtanteil stärker gebeugt wird als der kurzwellige blaue. Beugung entsteht, wenn eine Welle, in unserem Fall Licht, auf eine sehr kleine Öffnung trifft und diese durchquert. Danach breitet sich das Licht kreisförmig von der Öffnung ausgehend weiter aus.
Wenn du mehr zur Beugung erfahren möchtest, schaue gerne in passende Thema bei Licht als Welle rein.
Farbzerlegung kann auch an einem optischen Gitter erfolgen. Hier entstehen die Spektren durch Beugung, daher heißen sie auch Beugungsspektren.
Wenn du mehr zur Beugung an Gittern und dem Verhalten von Licht an optischen Gittern wissen willst, haben wir mehrere Artikel im Themenkomplex Licht als Welle für dich. Denn genau unter der Annahme des Wellencharakters von Licht werden diese optischen Phänomene in der Physik untersucht.
Farbspektrum – Regenbogen
Jetzt denkst du dir wahrscheinlich, dass du das optische Spektrum, um das es in diesem Artikel geht, sicherlich schon mal gesehen hast: nämlich als Regenbogen! Doch wie entsteht ein Regenbogen?
Erneut handelt es sich um eine Farbzerlegung. Diese findet innerhalb von Wassertropfen statt, deshalb entsteht ein Regenbogen auch nur, wenn es regnet. In Abbildung 5 siehst du, was passiert, wenn ein Lichtstrahl der Sonne auf einen Wassertropfen trifft.
Abb. 5 – Farbzerlegung im Wassertropfen führt zur Entstehung eines Regenbogens
Von links oben trifft der weiße Lichtstrahl auf den Wassertropfen. Nun wird das Licht beim Übergang Luft-Wasser durch Brechung, wie beim Prisma je nach Wellenlänge, in die Spektralfarben zerlegt. Das in Spektralfarben aufgespaltene Licht trifft auf die Rückwand des Wassertropfens und wird reflektiert. Danach tritt das Licht unten aus dem Tropfen aus und wird erneut beim Übergang Wasser-Luft gebrochen.
Nun weißt du auch, warum du die Sonne im Rücken haben musst, um einen Regenbogen zu beobachten: Das Licht muss dem oben gezeigtem Verlauf folgen, um für dich sichtbar zu sein. Die Summe des aufgespaltenen Lichts von vielen Regentropfen ergibt dann den Eindruck eines gesamten Regenbogens.
Vielleicht hast du auch schon mal einen doppelten Regenbogen gesehen. Der zweite Regenbogen entsteht dadurch, dass das Licht im Regenbogen nicht ein Mal, sondern zweimal reflektiert wird. Die Spektralfarben treten deshalb in einem anderen Winkel aus dem Regentropfen aus und der zweite Regenbogen ist über dem ersten am Himmel sichtbar.
Farbspektrum – Arten von Spektren
Betrachten wir die Spektren, die wir mittels Farbzerlegung erzeugt haben, mal genauer: denn bei verschiedenem einstrahlendem Licht erstehen auch verschiedene Spektren. Schauen wir uns mal die Arten an Spektren an, die aus einem Farbspektrum heraus entstehen können.
Kontinuierliche Spektren
Zerlegen wir weißes Licht, erhalten wir ein kontinuierliches Spektrum, das gesamte Farbspektrum, wie wir es oben gesehen haben.
Abb. 6 – Kontinuierliches Farbspektrum, das alle Spektralfarben enthält
Ein kontinuierliches Spektrum enthält alle Spektralfarben ohne Unterbrechung.
Dabei kann das weiße Licht von verschiedenen Quellen stammen, wie beispielsweise der Sonne oder einer Glühlampe.
Linienspektren
Nun ist dir sicherlich klar, dass nicht nur weißes Licht existiert. Auf einer Party gibt es zum Beispiel bunte Standlichter, die in verschiedenen Farben leuchten. Das sind dann einzelne Farben aus dem gesamten Farbspektrum. Klar, denn sonst wäre das Licht ja auch weiß, wie du jetzt weißt!
Wenn wir solches Licht aufspalten und das Spektrum betrachten, sehen wir nur dünne Striche. Denn das Licht enthält nur ganz bestimmte Farben, die einer bestimmten Wellenlänge entsprechen. Diese Art von Spektrum nennen wir Linienspektrum.
In einem Linienspektrum sind nur einzelne Striche von bestimmten Wellenlängen, also Farben, sichtbar. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Lichtquelle führen: jedes Element erzeugt sein charakteristisches Linienspektrum, wenn es leuchtet. Dieses Linienspektrum ist für jeden Stoff einzigartig und tritt immer wiederholbar gleich in Erscheinung.
Chemische Elemente erzeugen ein charakteristisches Linienspektrum, wenn sie beispielsweise erhitzt werden.
Auch wenn Elemente in Gasform einem niedrigen Druck ausgesetzt sind und leuchten, werden seine charakteristischen Wellenlängen im Spektrum sichtbar.
Betrachten wir nun einmal das Linienspektrum einer Natriumdampflampe, die beispielsweise als Straßenbeleuchtung genutzt werden.
Abb. 7 – Linienspektrum einer Natriumdampflampe
Hier wird durch Gasentladung von elementarem Natrium Licht erzeugt. Das gelbe Licht ist somit das charakteristische Linienspektrum von Natrium. Dabei emittiert Natrium zwei verschiedene Wellenlängen eng beieinander um die 590nm.
Wie diese Spektren genauer zur Analyse von Stoffen genutzt werden, erfährst du später im Abschnitt Spektralanalyse.
Emissionsspektren
Bisher handelt es sich bei allen Spektren, die wir betrachtet haben, um Emissionsspektren. Denn bisher haben wir lediglich das Licht betrachtet, das direkt von Lichtquellen emittiert, also ausgesendet, wurde. Daher auch der Name Emissionsspektrum. Spalten wir das Licht auf, ohne sonst mit ihm zu interagieren und betrachten das resultierende Spektrum handelt es sich somit um Emissionsspektren.
Emissionsspektren zeigen emittiertes Licht einer bestimmten Lichtquelle. Wir können dieses Spektrum mit der Spektralanalyse analysieren, um Rückschlüsse auf die Lichtquelle zu ziehen.
Wenn du genauer verstehen möchtest, warum genau bestimmte Wellenlängen von Stoffen emittiert werden, musst du dich mit den Photonen, die ausgestrahlt werden und ihrer Energie auseinandersetzen. Wir helfen dir dabei gerne mit unserem Artikel Emission von Photonen.
Absorptionsspektren
Anders verhält es sich mit Absorptionsspektren. Hier beginnen wir mit weißem Licht, das das gesamte Spektrum an Farben enthält, also einem kontinuierlichen Spektrum. Nun strahlen wir das Licht auf eine Substanz, um diese zu untersuchen. Danach zeichnen wir das Spektralbild des Lichtes auf, das die Substanz durchdringen konnte.
Betrachten wir als Beispiel einen Rotfilter, wie er beispielsweise bei der Bühnentechnik in Scheinwerfern verwendet wird: Eine rote Folie wird vor eine weiße Lampe gesteckt.
Dabei leuchtet die Lampe durch den Filter nur noch rot, obwohl sie ohne diesen weiß leuchtet und ein kontinuierliches Spektrum ausgestrahlt hatte. Wie kommt dieses Phänomen zustande?
Abb. 8 – Weißes Licht durchstrahlt einen Rotfilter und erzeugt ein Absorptionsspektrum
Der Rotfilter absorbiert alle Spektralfarben außer Rot, wie im Spektralbild ersichtlich. Dadurch kann nur rotes Licht den Filter passieren und daher erscheint uns das Licht nach dem Filter rot.
Schauen wir jetzt uns erneut elementares Natrium an, welches wir vorher bei den Linienspektren analysiert hatten, können wir wieder sein charakteristisches Linienspektrum als Absorptionsspektrum entdecken.
Nun analysierst du das Spektrum von Natriumdampf. Da der Dampf von selbst kein Licht emittiert, bestrahlen wir ihn mit weißem Licht. Danach können wir im Absorptionsspektrum nach passieren des Dampfs zwei Linien erkennen, wo das weiße Licht absorbiert wurde! Genau diese beiden Wellenlängen kennen wir schon von vorhin als charakteristisches Linienspektrum von Natrium.
Abb. 9 – Weißes Licht durchstrahlt Natriumdampf, dabei absorbiert es sein charkateristisches Linienspektrum
Somit können wir auch aus den Absorptionsspektren Rückschlüsse auf die Stoffzusammensetzung treffen. Dabei müssen wir auf die Spektralfarben achten, die von der Substanz bei charakteristischen Wellenlängen absorbiert werden.
Farbspektrum – Spektralanalyse
Wir haben uns schon in dem vorhergehenden Abschnitt mit Natrium beschäftigt und festgestellt, dass dies ein charakteristisches Linienspektrum besitzt. Dieses können wir entweder per Emissions- oder Absorptionsspektrum wieder erkennen und dann den Rückschluss aufstellen, dass es sich tatsächlich um Natrium handelt. Mit der Analyse und den Rückschlüssen aus Spektren beschäftigt sich die Spektralanalyse.
Die Analyse eines Stoffs durch Auswertung der von ihm ausgestrahlten oder absorbierten Spektralfarben ist die Aufgabe der Spektralanalyse.
Dabei wird das entstehende Spektrum abgeglichen mit bereits bekannten charakteristischen Linienspektren verschiedener Stoffe. Finden wir eine Übereinstimmung, können wir davon ausgehen, dass es sich beim Stoff, den wir untersuchen, um den gleichen handelt der uns bereits bekannt ist.
Verschiedene Materialien gemeinsam als emittierenden oder absorbierenden Stoff sind schon schwieriger zu analysieren, da sich die charakteristischen Linienspektren der Materialien überlagern. Um die Spektren untersuchbar zu machen, müssen wir sie zunächst für uns sichtbar machen. Dafür können wir verschiedene technische Möglichkeiten einsetzen, um die entstehenden Spektren von Stoffen genauer darzustellen.
Spektrometer
Im Grunde besteht die Analyse von Spektren aus der Farbzerlegung des zu untersuchenden Spektrums. Schon mit einem einfachem Prisma kannst du eine Farbzerlegung durchführen, jedoch reicht die Auflösung des Abbilds vom Farbspektrum nicht, um genaue Rückschlüsse auf die enthalten charakteristischen Linienspektren zu erlangen.
Früher wurden deshalb dafür Spektroskope genutzt: zunächst wurde das zu untersuchende Licht oft mit einem Objektiv gebündelt. Dann zerlegt das Spektroskop das einfallende Licht mithilfe eines Prismas und wirft das aufgespaltene Spektrum danach vergrößert auf einen Schirm. Auf diesem Schirm wird das zu untersuchende Spektrum sichtbar und es lassen sich die charakteristischen Linienspektren ablesen.
Joseph von Fraunhofer nutzte schon 1820 ein Spektroskop, um die nach ihm benannten Fraunhofer'sche Linien im Sonnenlicht zu finden. Die Analyse von Licht mittels Farbzerlegung gab es jedoch schon wesentlich länger: bereits Newton hatte weises Licht in seine Spektralfarben zerlegt.
Jedoch präzise genug, um charakteristischen Linienspektren zu identifizieren, war erst das Spektrometer von Kirchhoff und Bunsen, mit dem sie 1859 nachweisen konnten, dass das Spektrum der Sonne Absorptionslinien von Natrium enthält. So konnten sie auch die bis dahin unbekannten Elemente Rubidium und Caesium mittels Spektralanalyse nachweisen.
In Folge der technischen Entwicklung nutzen wir heute Spektrometer. Diese erlauben zusätzlich zum Erkennen von Linienspektren auch eine quantitative Analyse des Spektrums. Das bedeutet, wir können nicht nur messen bei welcher Wellenlänge Spektrallinien auftreten, sondern auch wie intensiv diese Linien sind, beziehungsweise wie viel Licht je Wellenlänge einfällt.
Mit einem Spektrometer können Linienspektren erkannt und auch quantitativ analysiert werden.
Dazu werden heutzutage Fotorezeptoren eingesetzt. Nachdem das zu messende Licht mit einem Gitter oder Prisma zerlegt ist, können die Rezeptoren messen, wie viel Licht auf sie einfällt und als digitalen Wert ausgeben. Damit lassen sich die Spektren am Computer auswerten und der Abgleich mit bekannten charakteristischen Linienspektren wird einfacher.
Abb. 10 – Aufbau eines Spektrometers
Durch die Information, wie intensiv das Licht ist, lassen sich auch Rückschlüsse auf Verhältnisse von Stoffmengen erhalten: Ist das Linienspektrum eines Stoffes intensiver als das von anderen in einer Mischung, wird mehr von diesem Stoff vorhanden sein.
Fraunhofer'sche Linien
Eine der frühsten und bekanntesten Errungenschaften der Spektralanalyse war die Analyse unseres Sonnenlichtes.
Dazu analysierte Joseph von Fraunhofer 1820 das Licht der Sonne. Er erkannte, dass im kontinuierlichen Spektrum der Sonne schwarze Striche vorhanden waren: Absorptionslinien!
Abb. 11 – Fraunhofer'sche Linien
Jedoch konnte Fraunhofer mit seinem Spektroskop nicht genau genug die charakteristischen Linienspektren einordnen, um sie bekannten Stoffen zuzuordnen. Deswegen bezeichnete er die verschiedenen Absorptionslinien mit Buchstaben.
Erst einige Jahre später gelang es Kirchhoff und Bunsen 1859 beispielsweise Natrium als D-Linie zu identifizieren. Schau mal, ob du sie in Abbildung 10 finden kannst und ob sie dir bekannt vorkommen!
Die Absorptionslinien im Sonnenlicht stammen von Stoffen in der Hülle der Sonne und in der Atmosphäre der Erde. Sie absorbieren jeweils ihre charakteristischen Linienspektren und hinterlassen damit schwarze Striche im Spektrum.
Die Fraunhofer'sche Linien wurden 1820 von Joseph von Fraunhofer entdeckt. Sie zeigen Absorptionslinien im Sonnenlicht von verschiedenen Elementen in der Hülle der Sonne und der Atmosphäre der Erde.
Heute wird die Spektralanalyse unter anderem zur Analyse von astronomischen Phänomenen genutzt. Es lassen sich beispielsweise Sterne nach ihren Spektren mit dem Hertzsprung-Russell-Diagramm in verschiedene Typen einordnen.
Farbspektrum - Das Wichtigste
- Der sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums liegt etwa zwischen einer Wellenlänge von 380nm bis 750nm und wir unterteilen ihn je nach Wellenlänge in verschiedene Spektralfarben.
- Bei der Farbzerlegung wird weißes Licht mittels eines Prismas in seine Spektralfarben zerlegt. Spektralfarben sind nicht weiter zerlegbar.
- Farbzerlegung kann auch an einem optischen Gitter erfolgen. Die entstehenden Spektren heißen Beugungsspektren.
- Regenbogen entstehen auch durch Farbzerlegung in den Regentropfen.
- Es gibt kontinuierliche Spektren und Linienspektren. Elemente haben jeweils charakteristische Linienspektren.
- Wenn wir Spektren untersuchen, handelt es sich um Emissions- oder Absorptionsspektren.
- Die Analyse eines Stoffs durch Auswertung der von ihm ausgestrahlten oder absorbierten Spektralfarben ist die Aufgabe der Spektralanalyse.
- Die Analyse der Spektren findet mit Spektroskopen oder Spektrometern statt.
- Die Fraunhofer'sche Linien im Sonnenlicht enthalten Absorptionslinien verschiedener Elemente.
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