Linienspektren

Ein Linienspektrum ist ein Spektrum, das aus diskreten Linien besteht, die bei bestimmten Wellenlängen auftreten. Es entsteht, wenn Atome, Ionen oder Moleküle Photonen mit Energieänderungen emittieren oder absorbieren, die genau den Übergängen zwischen diskreten Energieniveaus entsprechen. Im Gegensatz dazu steht das kontinuierliche Spektrum, bei dem alle Wellenlängen vorhanden sind.

Man unterscheidet Emissions- und Absorptionslinien. Ein Emissionsspektrum entsteht, wenn Gas oder Plasma angeregt wird und Teilchen angeregte Zustände verlassen, wobei Photonen mit charakteristischen Energien ausgestrahlt werden. Ein Absorptionsspektrum entsteht, wenn Licht einer kontinuierlichen Lichtquelle durch eine kalte oder dichte Gasprobe geht, das bestimmte Wellenlängen absorbiert und dunkle Linien im Spektrum erzeugt.

Die Lage der Linien ergibt sich aus den Energieunterschieden der beteiligten Zustände. In Atomen folgt die Wellenlänge der Linie dem Zusammenhang E2 − E1 = h c / λ. Quantenzustandsregeln bestimmen, welche Übergänge erlaubt sind. Bei Wasserstoff-ähnlichen Spektren ergeben sich charakteristische Serien (z. B. Lyman, Balmer). Moleküle zeigen zusätzlich Rotations- und Schwingungsübergänge, wodurch oft Bandstrukturen entstehen statt einzelner Linien.

Beobachtungen von Linienspektren liefern Informationen über Zusammensetzung, Temperatur, Druck und Bewegungen von Lichtquellen. Linien können durch Doppler- oder Druckverbreiterung breiter werden. Linienspektren werden mit Spektrometern oder Fourier-Transform-Spektrometern analysiert und finden Anwendung in Astronomie, Chemie, Plasmaphysik und Umweltwissenschaften. Ihre historische Bedeutung liegt in der Bestimmung von Elementen in der Sonne und Sternen durch Kirchhoff und Bunsen.