Für einige Lichtquellen, wie Gasentladungslampen und verschiedene Laser, weist das optische Spektrum klar definierte Spektrallinien auf, d.h., Diese stehen im Zusammenhang mit Übergängen von Atomen, Ionen oder Molekülen von einem angeregten Zustand auf ein niedrigeres elektronisches Niveau, wobei die Photonenenergie hν = h c / λ nahe an der Differenz der Niveaunergien liegt und somit die optische Wellenlänge der Spektrallinie bestimmt.
Gelegentlich werden diskrete Emissionslinien auf einem kontinuierlichen Spektrum beobachtet.
Es kommt auch vor, dass ein kontinuierliches optisches Spektrum diskrete Einbrüche aufweist, die durch Absorption von Licht bei bestimmten Wellenlängen verursacht werden.Solche Absorptionslinien sind in der Regel auch mit elektronischen Übergängen verbunden, diesmal von niedrigeren zu höheren Energieniveaus: Wenn das niedrigere Niveau der elektronische Grundzustand ist, handelt es sich um Grundzustandsabsorption (GSA), andernfalls um Absorption im angeregten Zustand (ESA). Solche Absorptionslinien wurden beispielsweise im Sonnenlicht beobachtet (Fraunhofer-Linien, entdeckt von Joseph von Fraunhofer) und führten zur Entdeckung von Helium, bevor es auf der Erde gefunden wurde.Absorptionslinien können auch im Labor untersucht werden, z.B. mit breitbandigen Lichtquellen und Spektrographen oder mit Scanning-Laser-Absorptionsspektroskopie.
Ähnliche Absorptions- und Emissionslinien werden auch mit Festkörpermedien wie Laserkristallen beobachtet, wobei die Absorptions- und Emissionsmerkmale aufgrund von Wechselwirkungen der absorbierenden oder emittierenden Spezies mit dem Wirtsmaterial oft wesentlich breiter sind.
Die beobachteten Absorptions- und Emissionslinien sind oft charakteristisch für bestimmte Stoffe und können daher als spektrale Fingerabdrücke verwendet werden, z.B. für den Nachweis von Umweltschadstoffen in der Atmosphäre.
Auch Konzentrationen (bzw. Anzahldichten) können über ihren Zusammenhang mit dem Absorptionskoeffizienten unter Anwendung des Beer-Lambert-Gesetzes gemessen werden.
Es gibt eine Reihe von Standardspektrallinien, die häufig als Wellenlängenreferenzen verwendet werden, z.B. für die Charakterisierung optischer Systeme.
Breite und Form von Spektrallinien
Spektrallinien weisen immer eine endliche Linienbreite auf, die unterschiedliche Ursachen haben kann:
- Bei hohen Gasdrücken kommt es häufig zu Kollisionen.Im Wesentlichen werden die emittierenden Atome bei ihrer Abstrahlung häufig durch Stöße gestört, so dass sich die optische Phase nicht kontinuierlich über längere Zeiträume entwickeln kann.
- Durch die thermische Bewegung der strahlenden Teilchen kommt es zu Dopplerverschiebungen, die zur so genannten Dopplerverbreiterung führen, deren Ausmaß von der Temperatur abhängt.
- Es gibt Methoden der dopplerfreien Spektroskopie, die den Effekt der Dopplerverbreiterung weitgehend eliminieren.
- Auch ohne Bewegung gibt es eine natürliche Linienbreite, die durch die Lebensdauer des oberen Zustands begrenzt ist (Lebensdauerverbreiterung).
- Wie bereits erwähnt, zeigen emittierende oder absorbierende Atome oder Ionen in Festkörpern oft verbreiterte Absorptions- und Emissionslinien aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Wirtsmaterial.
- Es kann z.B. zu Stark-Effekten durch elektrische Felder kommen.
Wenn verschiedene Atome oder Ionen unterschiedliche Veränderungen der Linienmerkmale erfahren, wird die resultierende Verbreiterung als inhomogene Verbreiterung bezeichnet.
Die kleinsten Linienbreiten – weit unter 1 Hz – können mit bestimmten verbotenen Übergängen erreicht werden, die eine sehr kleine natürliche Linienbreite haben können, wenn auch verschiedene andere Beiträge zur Linienbreite unterdrückt werden.Methoden der ultrapräzisen Spektroskopie sind für solche Messungen entwickelt worden.Hier wird die Emission eines Lasers auf eine schmale Spektrallinie stabilisiert, so dass die Linienbreite des Lasers sogar weit unterhalb der Breite der Spektrallinie liegt.
Die Linienform, d.h., Die Linienform, d.h. die Form des optischen Spektrums, hängt oft mit dem dominanten Mechanismus der Linienverbreiterung zusammen, z.B. werden oft Lorentzlinien beobachtet, wenn die Lebenszeitverbreiterung dominiert, während die Dopplerverbreiterung zu gaußförmigen Linienformen führt.
Das recht schmalbandige Licht bestimmter Spektrallinien wird oft als quasimonochromatisch bezeichnet.
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Siehe auch: Optisches Spektrum, Wellenlänge, Standardspektrallinien, Laserlinien, Spektrallampen, Linienbreite, Dopplerverbreiterung
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