Wie in der allgemeinen Einleitung in das Fachgebiet Optik, gilt diesem Fachgebiet das Licht und seiner Wechselwirkung mit Materie als Hauptinteresse. Die Wechselwirkung von Licht mit Materie führt zu Reflexion, Streuung, Transmission oder Absorption. Die Wellennatur des Lichtes erklärt Interferenz, Beugung und Polarisation. Aus diesem Grund soll in diesem Kapitel auf die Entstehung von Licht eingegangen werden.
Licht ist eine Form von Energie (Strahlungsenergie) und ist ein kleiner Ausschnitt aus dem gesamten Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Elektromagnetische Wellen). Jeder Energie ist dabei eine ganz bestimmte Frequenz bzw. Wellenlänge zugeordnet und umgekehrt.
Allgemein kann elektromagnetische Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung, Mikrowellenstrahlung, Licht, …..) nur durch Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen erreicht werden. Für die Erzeugung von sichtbarem Licht (Wellenlängenbereich ca. 380 nm bis 750 nm) werden Elektronen als geladene Teilchen verwendet, die sich beschleunigt bewegen.
Damit die Emission von Licht verstanden werden kann, muss auf die Grundlagen der Chemie zurückgegriffen werden, nämlich dem Atommodell (Bohrsches Atommodell ist ausreichend). Seit der Entwicklung des Bohrschen Atommodells weiß man, dass sich Elektronen (in der Atomhülle) nicht in beliebigem Abstand um den Atomkern befinden, sondern nur auf ganz bestimmten Bahnen befinden. Bohr postulierte über die Bewegung der Elektronen, dass diese sich auf diesen stationären Bahnen strahlungsfrei (ohne Energieverlust) bewegen. Mit Hilfe physikalischer Grundkenntnisse weiß man, dass je größer der Abstand der Elektronen vom Kern ist, um so größer das Energieniveau des Elektrons ist.
Damit ein Elektron von einer Bahn auf eine andere Bahn gelangt, muss immer eine Aufnahme oder Abgabe der entsprechenden Energiedifferenz erfolgen. Beim Übergang zu einer Bahn, die näher am Kern liegt (niedrigeren Energiestufe) wird die Energiedifferenz in Form eines Photons abgegeben. Der Emissionsvorgang eines Photons setzt voraus, dass das Atom sich in einem angeregten Zustand befindet (d.h. Elektronen befinden sich nicht im Grundzustand, sondern einer höheren Energiestufe = Bahn).
Damit eine sog. kontinuierliche Strahlung erreicht wird, erhitzt man einen Feststoff. Durch die Zuführung dieser thermischen Energie geraten die Atome in Bewegung. Die Elektronen auf den äußeren Bahnen geraten mehr in Bewegung, als die Atomrümpfe. Die Zuführung der Energie führt dazu, dass die Bewegung der Elektronen im Feld der Atomrümpfe sich so schnell bewegen, dass die Elektronen als Folge der Maxwellschen Gesetze Photonen bzw. Licht aussenden und dadurch Energie verlieren.
Durch die Zuführung der thermischen Energie (Wärmezufuhr) und der steigenden Bewegung der Elektronen sind diese nicht geordnet. Daher ist die Lichtaussendung über einen großen (von der Temperatur des Körpers abhängigen) Bereich von Frequenzen bzw. Wellenlängen möglich, d.h. über ein breites Spektrum verteilt: es entsteht ein kontinuierliches, d.h. über viele Wellenlängen verteiltes Spektrum.
Damit eine sog. Linienstrahlung erzeugt wird, werden ein Gas (eines Elements) verwendet. Dazu werden Atome eines Gases ionisiert, wobei aus der Elektronenhülle der Atome Valenzelektronen herausgeschlagen werden. Diese freien Elektronen wollen aber wieder den günstigen Energiezustand erreichen; das nennt man Rekombination.
Dazu treffen die Elektronen auf ein ionisiertes Atom und geben dabei die (überschüssige) Energie als Licht ab und rekombinieren so. Da sich in einem Atom die Elektronen sich auf genau definierten Energie-Niveaus befinden (siehe Bohrsches Atommodell) können damit bei der Rekombination auch die Energiebeträge zwischen den Niveaus nur bestimmte Werte annehmen. Aus diesem Grund hat das ausgesandte Licht (das bei der Rekombination ausgesandt wird) nur ganz bestimmte Frequenzen bzw. Wellenlängen. Daher sieht man kein kontinuierliches Spektrum, sondern nur wenige einzelne Linien, die Zwischenräume in dem Linienspektrum sind dunkel.
Arten von Linienstrahlung:
Die zwei Arten von Strahlung, die durch Licht erzeugt werden, sind die kontinuierliche Strahlung und die Linienstrahlung.
Kontinuierliche Strahlung bezieht sich auf Lichtwellen, die kontinuierlich, ohne Unterbrechung über alle Frequenzen verteilt sind.
Linienstrahlung ist ein Phänomen, bei dem Licht nur bei bestimmten Wellenlängen oder Frequenzen ausgestrahlt wird.
Eine Emissionslinie ist eine helle Linie in einem ansonsten dunklen Spektrum, die eine Wellenlänge repräsentiert, bei der ein Photon emittiert wurde.
Kontinuierliche Strahlung entsteht, wenn ein Material so stark erhitzt wird, dass es Photonen verschiedenster Energieniveau abgibt.
Das Spektrum der kontinuierlichen Strahlung ist ein Stufenprofil, das alle Frequenzen oder Wellenlängen von Licht umfasst.
Die grundlegende Unterscheidung zwischen kontinuierlicher Strahlung und Linienstrahlung liegt darin, dass erstere ein kontinuierliches Spektrum über alle Frequenzen hat, während Letztere nur bei bestimmten Frequenzen Licht ausstrahlt.
Beide Arten von Strahlung sind in der Spektroskopie besonders relevant, der Wissenschaft von den Wechselwirkungen zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung.
Aus dem Muster der Linienstrahlung kann man auf die chemische Zusammensetzung und physikalische Bedingungen der Lichtquelle schließen, da verschiedene Elemente und Verbindungen charakteristische Emissionslinien haben.
Linienstrahlung wird erzeugt, wenn ein angeregtes Elektron in einem Atom in einen niedrigeren Energiezustand zurückfällt und dabei ein Photon abgibt. Dieses Photon entspricht genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen.