Spektren 6): Zipfelmützenprofile

Linienprofile

Der Intensitätsverlauf in Emissionslinien sieht wirklich aus wie eine, allerdings sehr symmetrsche Zipfelmütze...

In diesem Post möchte ich einen Überblick über die Prozesse geben, mit denen die Form einer Spektrallinie beeinflusst werdne kann.

Ursprüngliches Profil:

Ursprünglich entstehen Spektrallinien, wenn genau ein bestimmter Energiebetrag von einem Atom absorbiert oder emittiert wird. Zu einer bestimmten Energie gehört eine bestimmte Wellenlänge. Eine Spektrallinie (egal ob in Absorption oder Emission) müsste also ein ganz dünner Strich sein. Nun absorbieren oder emittieren Atome nicht nur ganz bestimmte Energien, sondern mit abnehmender Wahrscheinlichkeit auch leicht abweichende Energien.

Es gibt also links und rechts von der "eigentlichen" Linie ebenfalls Absorptionen oder Emissionen, wenn auch mit geringerer Intensität (da ja die Wahrscheinlichkeit abnimmt). Die so entstehende Form nennt man das natürliche Linienprofil, es spiegelt also das Wahrscheinlichkeitsverhalten des Atoms bei Absorptions bzw. Emission wider.

Der schmale Strich bekommt also eine natürliche Breite, die liegt bei etwa 10 Mikronanometer, spielt also keine große Rolle. 

Apparateprofil

Bevor das Licht aber durch ein Gitter oder Prisma in ein Spektrum umgewandelt wird, fällt es durch einen Beleuchtungsspalt. Dieser ist rechteckig. Er wird durch eine Linse über Prisma oder Gitter auf den Film oder einen Schirm abgebildet.

Alle Spektrallinien sind Bilder dieses Beleuchtungsspaltes bei der jeweiligen Wellenlänge, überlagert durch das natürliche Linienprofil.

Deswegen entstehen Spektrallinien. Würde man zur Beleuchtung Kringel nehmen, so hätten wir Spektralkringel...

Druckeinfluss:

Wenn während der Emission oder Absorption andere Ionen, Elektronen oder Atome vorbeifliegen, stören sie über ihre elektrischen Felder den Prozess. Dadurch können auch weiter entfernt liegende Energien, d.h. Wellenlängen emittiert oder absorbiert werden.

Je größer der Gasdruck ist, desto mehr wirkt sich diese Störung aus.

Deswegen nennt man das die Druckverbreiterung und das zugehörige Linienprofil das Lorentzprofil.

Temperatureinfluss

Durch die Wärmebewegung entsteht ein Dopplereffekt. Auch dadurch können andere Wellenlängen emittiert oder absorbiert werden.

Die Verteilung der Geschwindigkeiten liefert über den Dopplereffekt das Linienprofil, man spricht vom Dopplerprofil.

Dopplerprofil und Lorentzprofil überlagern sich zu dem sichtbaren Linienprofil, dem Voigt-Profil  (für Fachleute: Das ist eine Faltung der beiden Funktionen/Profile).

Eine kräftige Linie wird Innen (Dopplerkern) durch das Dopplerprofil und außen(Linienflügel)  durch das Lorentzprofil bestimmt (siehe Wasserstofflinie in Emission, Universitätssternwarte München).

aus Voigt, Abriß der Astronomie

 

Wasserstofflinie in Emission, Universitätssternwarte München

Aus dem Verlauf des Profils kann man dann Druck und Temperatur des Gases bestimmen.

Das führt jetzt aber hier zu weit.