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10.3.1814: Spektralanalyse |
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Ein finsteres Zimmer, durch die schmale Öffnung im Fensterladen blitzt ein Sonnenstrahl. Dieser trifft auf dem Labortisch ein Prisma. Dort wird der weiße Lichtstrahl fächerförmig in die Farben des Regenbogens gespalten. Doch betrachtet man den bunten Fächer nicht mit bloßem Auge, sondern mit einem so genannten Spektralapparat, so stellt man fest: Einzelne dünne Linien, also ganz bestimmte Farben des Spektrums fehlen. Dies beobachtete erstmals der bayerische Physiker Joseph von Fraunhofer am 10. März 1814. Er schrieb:
"Ich fand mit dem Fernrohre fast unzählig viele starke und schwache vertikale Linien, die aber dunkler sind als der übrige Teil des Farbbildes; einige scheinen fast schwarz zu sein."
Weit über 500 dieser dunklen Linien entdeckte der Physiker im Sonnenspektrum. Damit legte Fraunhofer den Grundstein zur Spektralanalyse. Allerdings sollten einige Jahre vergehen, bis die Wissenschaftler die seltsamen Linien deuten konnten. Erst 1859 brachte der Physiker Gustav Robert Kirchhoff im wahrsten Sinne des Wortes Licht in die Fraunhoferschen Linien - als er hochreines Natriumsalz in einer farblosen Flamme verbrannte.
Dabei erzeugte das Natrium im Feuer genau die Linien, die die Forscher zuvor im Sonnenlicht vermisst hatten. Daraus schloss Kirchhoff, dass auf der Sonne beträchtliche Mengen des Elements Natrium vorkommen. Er schrieb:
"Ich schließe, dass die dunklen Linien des Sonnenspektrums durch diejenigen Stoffe in der glühenden Sonnenatmosphäre entstehen, welche in dem Spektrum einer Flamme helle Linien an demselben Orte erzeugen."
Hinter dieser Aussage steckt eine bedeutende Erkenntnis: Reine Stoffe senden beim Verbrennen Licht aus, das sich aus charakteristischen Linien zusammensetzt. Umgekehrt gibt das von Körpern ausgesandte Licht Aufschluss über deren chemische Zusammensetzung. Dies ist das Prinzip der chemischen Spektralanalyse.
Diese nutzen Chemiestudenten noch heute bei der sogenannten Flammenprobe im Praktikum. Wie das funktioniert, erklärt Diplom-Chemiker Michael Stephan:
"Ich nehme zuerst ein Keramikstäbchen und glühe das im Bunsenbrenner. Das Ganze ist weitestgehend farblos. Einmal ablöschen, und jetzt nehme ich etwas Probe und halte es in den Bunsenbrenner, und dann gibt es eine schöne gelb-orangene Flamme, das heißt, da ist Natrium drin. Das ist dieselbe Farbe, die man von Straßenlaternen kennt. Die Farbe ist sehr intensiv, und es dauert relativ lange, bis die Farbe wieder verschwindet, deswegen kann man Natrium auch sehr gut erkennen."
Der Nachweis des Natriums über die Flammenfärbung ist so empfindlich, dass bereits kleinste Mengen des Metalls mit bloßem Auge sichtbar sind. Schwieriger wird es beispielsweise beim Element Barium. Hier greifen die Chemiker zu einem Trick:
"Die Probe, die sollte jetzt grün werden. Da ist Barium enthalten. Versuchen wir das mal etwas zu verstärken, indem ich Magnesiumpulver nehme. Magnesium brennt farblos, aber sehr hell, das ist das, was man früher als Blitzlicht verwendet hat. Und dann in die Flamme, und dann brennt es mit einer hellgrünen Flamme, und man erkennt, dass Barium in der Probe enthalten ist."
Durch ähnliche Versuche wurden im letzten Jahrhundert zahlreiche Elemente entdeckt. Beispielsweise durch den fleißigen Chemiker Robert Wilhelm Bunsen. Dieser extrahierte sage und schreibe 44.000 Liter Bad Dürkheimer Mineralwasser, bis er sieben Gramm eines Feststoffs in Händen hielt. Als er diesen verbrannte, konnte er das bis dahin unbekannte Element Cäsium nachweisen.
Doch nicht nur auf der Erde fanden die Wissenschaftler neue Stoffe mit der Spektralanalyse. So entdeckten sie 1868 eine Linie im Sonnenspektrum, die in irdischen Experimenten noch nie aufgetreten war. Der Linie ordneten die Forscher ein chemisches Element zu, das sie Helium nannten. Erst Jahrzehnte später wurde das Edelgas Helium dann auf der Erde nachgewiesen.
Und selbst heute noch nutzen Forscher die Spektralanalyse, um die Zusammensetzung unendlich weit entfernter Sterne zu bestimmen. Sie handeln damit ganz in der Tradition Joseph von Fraunhofers, auf dessen Grab in München geschrieben steht: "Er hat die Sterne näher gerückt".
Autorin: Ute Hänsler
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