Eine Spektrallinie ist eine dunkle oder helle Linie in einem ansonsten gleichmäßigen und kontinuierlichen elektromagnetischen Spektrum . Spektrallinien sind das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen einem Quantensystem (meist Atome , manchmal aber auch Moleküle oder Atomkerne) und elektromagnetischer Strahlung .
Die Spektrallinie ist ein Phänomen, das bis zu den ersten Studien zur Lichtzerlegung mit Prismen nicht vermutet wurde. Die erste Beobachtung einer Spektrallinie ist die der Natrium- Emissionslinie , die Thomas Melvill 1752 gemacht hat. Mit einem Prisma beobachtet er das Licht von Salzen, die von einer Flamme erhitzt werden, und entdeckt eine intensive Linie. , Gelb.
Die Entdeckung der Linien Absorption der aus dem Jahr XIX - ten Jahrhundert , in 1802 , als William Hyde Wollaston in seiner Forschung auf den Prismen, schwarze Streifen in dem beobachteten Spektrum von Licht in der Regel kontinuierlich zerlegt. Diese Linien haben die Besonderheit, dass sie ihre Position unabhängig vom Prisma und seinem Material nicht ändern. Joseph von Fraunhofer nutzt diese Beobachtung, um eine Möglichkeit zu entwickeln, Wellenlängen zu messen, indem er diese Linien als Referenz nimmt. Gustav Robert Kirchhoff entwickelt daher ein Referenzsystem, das die sichtbarsten Linien des Sonnenspektrums verwendet und nummeriert. Diese Referenzlinien werden dann verwendet, um Mess- und Spektroskopiegeräte zu kalibrieren.
Während Fraunhofer die Wellenlänge einiger Spektrallinien misst, ist es Anders Jonas Ångström , der 1869 die Wellenlängen von fast tausend Absorptionslinien mit Beugungsgittern bestimmt und damit das Fraunhofer-Liniensystem und die Kirchhoff-Nummerierung bis 1890 ersetzt.
Zuerst als Spektralanalyse bezeichnet, wurde das Studium der Linien und Wellenlängen eines Spektrums in den 1880er Jahren allmählich zur „Spektroskopie“.
In einem Quantensystem kann Energie keine beliebigen Werte annehmen: Es sind nur bestimmte sehr genaue Energieniveaus möglich. Wir sagen, dass die Energie des Systems quantisiert ist. Die Zustandsänderungen entsprechen daher auch sehr genauen Energiewerten, die den Energieunterschied zwischen dem Endniveau und dem ursprünglichen Niveau markieren.
Wenn die Energie des Systems um eine Größe Δ E abnimmt , wird ein Quant elektromagnetischer Strahlung, ein Photon genannt , mit der Frequenz ν emittiert, die durch die Planck-Einstein-Beziehung gegeben ist : Δ E = hν wobei h die Planck-Konstante ist . Umgekehrt, wenn das System ein Photon der Frequenz ν absorbiert, nimmt seine Energie um einen Betrag hν zu . Mit der Quantisierung der Energie des Systems wird auch die Frequenz der vom System emittierten oder absorbierten Photonen quantisiert. Dies erklärt, warum das Spektrum eines Quantensystems aus einer Reihe diskreter Linien besteht und nicht aus einem kontinuierlichen Spektrum, in dem alle Frequenzen in unterschiedlichen Mengen vorhanden sind.
Ein heißes Gas kühlt ab, indem es Photonen emittiert; das beobachtete Spektrum besteht daher aus einer Reihe von hellen Linien auf dunklem Hintergrund. Wir sprechen dann von Emissionslinien (Beispiel gegenüber). Umgekehrt, wenn das Gas kalt ist, aber von einer kontinuierlichen Quelle beleuchtet wird, absorbiert das Gas Photonen und das Spektrum besteht aus einer Reihe dunkler Linien auf einem leuchtenden Hintergrund: Wir sprechen dann von Absorptionslinien .
Die Absorptions- und Emissionslinien sind für jede Substanz hochspezifisch und können verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung jedes lichtdurchlässigen Mediums (normalerweise Gas) leicht zu bestimmen. Sie hängen auch von den physikalischen Bedingungen des Gases ab und werden daher häufig verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Sternen und anderen Himmelskörpern, die mit anderen Mitteln nicht analysiert werden können, sowie deren physikalische Zustände zu bestimmen .
Andere Mechanismen als die Atom-Photon-Wechselwirkung können Spektrallinien erzeugen. Abhängig von der genauen physikalischen Wechselwirkung (mit Molekülen, einzelnen Teilchen etc.) ändert sich die Frequenz der beteiligten Photonen erheblich, und es lassen sich Linien im gesamten elektromagnetischen Spektrum beobachten: von Radiowellen bis Gammastrahlen .
In der Praxis haben die Leitungen keine perfekt bestimmte Frequenz, sondern sind über ein Frequenzband verteilt. Es gibt viele Gründe für diese Erweiterung:
Die Entladungslampen erzeugen Emissionslinien des verwendeten Gases.