Wie alles begann
Spektroskope spielen eine wichtige Rolle in der modernen analytischen Wissenschaft, mit Anwendungen in so unterschiedlichen Bereichen wie Forensik, Qualitätskontrolle und Astronomie. Die Bestimmung von Anwesenheit und Konzentration der Elemente in einer Probe ist ein wichtiger Bestandteil der Arbeit moderner analytischer Labore. Aber das Spektroskop spielte auch eine entscheidende Rolle bei der Geburt der modernen Wissenschaft an sich.
Eines der ersten Objekte, die spektroskopisch untersucht wurden war die Sonne, und zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde zum ersten Mal festgestellt, dass das durch Isaac Newton bekannt gewordene Regenbogen-Spektrum nicht kontinuierlich war. Die dunklen Streifen, die wir heute als Absorptionslinien bezeichnen, wurden zunächst Fraunhofer-Linien genannt. Nach dem deutschen Wissenschaftler, der sie systematisch mit seiner neuen Erfindung – dem Spektroskop – kartierte. Seine Studien führten zu der Entdeckung, dass jedes Element eine charakteristische Linie oder eine Reihe von Linien besaß, und dass diese somit zur Identifizierung einer Probe diente.
Grafische Repräsentation der Fraunhoferlinien
Die Arbeit vieler Wissenschaftler in jenem Jahrhundert führte zur fortschreitenden Erschließung der Spektren zahlreicher Elemente, aber ein Rätsel stellte die Spektrallinie der Sonne bei 587,49 nm dar, die keinem bekannten Element zugeschrieben werden konnte. Der Astronom Norman Lockyer nahm an, dass dies ein Element sein müsse, das bislang auf der Erde unbekannt sei; es wurde Helium benannt – nach dem griechischen Wort für die Sonne, Helios. Heute wissen wir, dass Helium das zweithäufigste Element im Universum ist, doch seine Existenz war unbekannt, bevor ein Spektroskop es entschlüsselte.
Joseph von Fraunhofer
Fraunhofer (1787-1826) untersuchte das Sonnenlicht mit einem Prismen-Spektroskop und beobachtete dabei dunkle Linien im Spektrum des Lichts. 1820 machte der der englische Chemiker Wollaston schon diese Beobchtung. Ihren Namen Fraunhofer-Linien erhielten sie, weil Fraunhofer sie eingehender untersuchte und systematisch katalogisierte. Ab 1815 erfasste er etwa 500 Spektrallinien, wobei er die Linien zunächst mit Buchstaben kennzeichnete. Die markantesten Linien werden auch heute noch so bezeichnet, wie etwa die D-Linien des Natrium oder die H- und K-Linien des Calciums.
Kirchhoff und Bunsen
Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) und Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) entwickelten ein Spektroskop, das genauer war, als das von Fraunhofer verwendete Prismen-Spektroskop.
Beim Spektroskop nach Kirchhoff-Bunsen fällt das Licht durch einen verstellbaren Spalt über eine Linse auf ein Prisma. Nachdem die Wellenteile des Lichts am Prisma unterschiedlich gebrochen werden, gelangen sie in ein verstellbares Beobachtungsrohr, in dem durch Linsen und Okular ein scharfes Bild erzeugt wird. Die Wellenlänge ist dann an einer Skala ablesbar, die durch ein Skalenrohr in den Strahlengang projiziert wird.
Sie konnten nachweisen, dass die schwarze D-Linie im Sonnenspektrum bei etwa 589 Nanometer mit der von Natriumsalzen in der Flamme erzeugten Linie übereinstimmt. So entwickelten beide Wissenschaftler das erste spektralanalytische Verfahren und entdeckten die bis dahin unbekannten Elemente Rubidium und Caesium.
Von der Flammprobe zum Atomabsorptionsspektrometer
Kichhoff und Bunsen konnten zeigen, dass zu jedem chemischen Element eine spezifische Spektrallinie gehört. Neu war, dass die spezifischen Spektrallinien sich völlig unabhängig von der chemischen Verbindung zeigten. Das war die entscheidende Grundlage für die Entwicklung der AAS als elementaranalytisches Verfahren. Nach Jahrzehnten der Erweiterung der theoretischen Grundlagen entdeckte Max Planck die quantenhafte Absorption und Emission von Strahlung und erkannte, dass jedes Atom nur Strahlung bestimmter Wellenlänge absorbieren und emittieren kann.
Mitte des neunzehnten Jahrhunderts veröffentlichten Walsh und Alkemade unabhängig von einander die Analyseverfahren der Atomabsorptionsspektrometrie.
Lesenswertes zur Spektroskopie im WorldWideWeb
Wohlig warmes Licht in klirrender Kälte
Ein PDF-Beitrag „Museumsstücke“ des Sternwarte-Museums der Universität Wien zur Geschichte der Spektroskopie.
zum PDF-Beitrag
Historische Abbildungen und ein Beitrag zu Spektrometern
Die Universität Wien zeigt zwei historische Spektrometer von Fuess-Steglitz (Berlin) und A. Krüss (Hamburg), beide um 1900 aus Messing, Bronze und Glas. Ein Textbeitrag erläutert ergänzend die historische und wissenschaftliche Bedeutung der Spektrometer.
zum Beitrag der Universität Wien
Seeing the stars with spectroscopy
02 March 2015: Interview with Dr Josh Nall, Whipple Museum.
Part of the show Eureka Streaker: Experiments that Changed the World