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Hintergrund: Die Entstehung der Spektrallinien

Fraunhofer: Schwarze Linien im Sonnenlicht

  • Das Gemälde zeigt Fraunhofer als jungen Mann. Fraunhofer macht 1814 eine bedeutende Entdeckung; Rechte: AKG
  • Eine Zeichnung zeigt, wo schwarze Linien das Farbspektrum von Rot bis Grün unterbrechen. Exakte Dokumentation der Linien von Fraunhofer; Rechte: WDR

Joseph von Fraunhofer gibt der Physik ein Rätsel auf, als er 1814 durch ein Fernrohr einen Sonnenstrahl betrachtet. Dabei will der Optiker nur die Brechung des Lichts vermessen. In seiner Werkstatt bereitet er das Experiment vor: Er hängt dunkle Vorhänge vor die Fenster, positioniert ein Prisma und sein Fernrohr. Dann öffnet er die Vorhänge einen winzigen Spalt. Ein Sonnenstrahl fällt herein, trifft auf das Prisma und wird gebrochen. Durch sein Fernrohr sieht Fraunhofer das Licht in Regenbogenfarben. Doch er sieht kein durchgehendes Farbband. Er entdeckt schwarze Linien im Farbspektrum.

Woher kommen die Linien? Fraunhofer führt sein Experiment fort. Im Sonnenlicht zählt er 574 Linien. Er dokumentiert Lage und Breite. Mit diesen Daten kann er die Qualität optischer Linsen messen und verbessern. Das bringt seiner Firma Erfolg. Die Frage, woher die Linien kommen, verfolgt der Unternehmer nicht weiter. Warum auch.

In der Physik wiederholt sich die Frage: Warum sollte man erforschen, woher Fraunhofers Spektrallinien kommen? Aus Neugier, lautet die einfache Antwort. Um einem Rätsel der Natur auf die Spur zu kommen. Um die Natur zu verstehen. Mehr als 100 Jahre beschäftigen die Spektrallinien Chemiker und Physiker. Sie lösen das Rätsel schrittweise. Der erste Schritt führt die Forscher Bunsen und Kirchhoff 1860 zu den chemischen Elementen. Im zweiten Teil blickt der Physiker Niels Bohr 1913 direkt ins Atom. Die letzte Erklärung liefert Erwin Schrödinger 1926 mit einer Formel für wellenartige Elektronen.

Bunsen und Kirchhoff: Farbenspiel der Elemente

  • Auf dem Foto posiert Bunsen im Anzug auf einem Salonsessel. Robert Bunsen erklärt die Entstehung der Linien; Rechte: AKG
  • Grafik: Im Spektrum von Natrium sind zwei eng benachbarte gelbe Linien erkennbar. Bei sehr großer Hitze enthält das Spektrum noch eine rote, eine grüne und zahlreiche blaue Lichtlinien. Bei bis zu 3700 Grad Celsius erzeugt Natrium eine gelbe Doppellinie, bei höheren Temperaturen sind weitere Lichtlinien zu erkennen ; Rechte: WDR

Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff lösen das Rätsel der schwarzen Linien durch Analyse chemischer Elemente. Bunsen leitet seit 1852 das Chemische Laboratorium in Heidelberg. Dort erforschen er und der Physiker Kirchhoff salzartige Chemikalien. Sie untersuchen ein altbekanntes Phänomen: Erhitzt man Salze in der Flamme, so färbt sich ihr Licht. Kochsalz färbt die Flamme orange, das verwandte Kaliumchlorid violett.

Rasch erkennen die Forscher, dass die chemischen Elemente die Farbe bestimmen. In Kochsalz, chemisch Natriumchlorid, erzeugt Natrium das orange Licht. Kalium leuchtet in jeder Verbindung violett. Doch Bunsen und Kirchhoff wollen mehr wissen. Wie Fraunhofer lenken sie das Licht durch ein Prisma, um es zu brechen. Das Ergebnis: Natriumlicht ist kein orange farbenes Lichtband. Es sind Lichtlinien. Charakteristisch für Natrium ist eine starke gelbe Doppellinie. Auch alle anderen Elemente erzeugen Lichtlinien.

Bunsen und Kirchhoff vergleichen ihre Ergebnisse 1860 mit Fraunhofers Daten. Manche Lichtlinien liegen genau in den schwarzen Lücken des Sonnenspektrums, darunter die Natrium- und die Eisenlinien. Die Erklärung der Forscher lautet: Die Elemente können die Lichtlinien nicht nur abgeben, sondern auch schlucken. Auf der Sonne also schluckt Natrium seine orange Lichtlinie. Diese Linie kommt nicht zur Erde und wir sehen eine schwarze Lücke im Sonnenspektrum.

Fraunhofers Rätsel scheint gelöst. Doch die Physik steht vor dem nächsten Teil des Rätsels: Warum schlucken die Elemente ganz bestimmte Lichtlinien?

Bohr: Atommodell der Quantenphysik

  • Das Foto zeigt Bohr mit ergrautem Haar und Pfeife. Niels Bohr kommt dem Rätsel ein Stück näher; Rechte: AKG
  • In der Skizze symbolisieren konzentrische Kreise die Flugbahnen eines Elektrons. Laut Bohr fliegen Elektronen auf Bahnen um den Kern; Rechte: WDR/Eva Prost

Der Physiker Niels Bohr knackt mit seinem Atommodell den nächsten Teil des Rätsels. Der Däne beginnt seine Karriere 1912 in Manchester. Die englische Stadt ist ein aufregender Ort, denn hier arbeitet Ernest Rutherford, Physik-Nobelpreisträger von 1908. In seinem Labor ist soeben ein neues Modell für den Aufbau der Atome entstanden. Überhaupt geht die Physik neue Wege: Die Quantentheorie gewinnt Anhänger. Nach dieser Theorie gibt es Energie nicht in beliebiger Menge, sondern nur in ganz bestimmten Einheiten. In Quanten. Die Quantenphysiker haben einen Lieblingsausdruck: "nur ganz bestimmt".

Bohr glaubt an die Quantentheorie und revolutioniert 1913 das Atommodell seines Meisters. Er erklärt: In einem Atom fliegen Elektronen nur auf "ganz bestimmten" Bahnen um den Kern. Um von einer auf die andere Flugbahn zu wechseln, brauchen die Elektronen eine "ganz bestimmte" Menge zusätzlicher Energie. Diesen Energieschub erhalten sie, wenn sie die typischen Lichtlinien schlucken. Bei ihrer Rückkehr auf die alte Bahn geben die Elektronen das Licht wieder ab. Die Flugbahnen sind von Element zu Element verschieden. Deshalb sind geschluckte und wieder abgegebene Lichtlinien für jedes Element anders.

Bohr erklärt also mit dem Atommodell, dass die Elemente ganz bestimmte Lichtlinien schlucken, weil die Elektronen exakt deren Energie brauchen, um die Flugbahn zu wechseln. 1922 erhält er den Nobelpreis für Physik. Doch er wirft eine neue Frage auf: Warum sind die Flugbahnen festgelegt?

Schrödinger: Elektronen als Wellen

  • Die Grafik zeigt Linien mit ein, zwei und drei Wellenbögen sowie einen Kreis mit vier Wellenbögen. Auf Linien und Kreisbögen kann eine Welle nur existieren, wenn ein ganzes Vielfaches an Wellenbögen Platz hat; Rechte: WDR/Eva Prost

100 Jahre nach Fraunhofers Tod löst Erwin Schrödinger den letzten Teil des Rätsels um die Spektrallinien. Der österreichische Physiker arbeitet seit 1921 in Zürich. Die Quantentheorie hat sich durchgesetzt: Die Vorreiter, Max Planck und Albert Einstein, haben den Nobelpreis erhalten. Obwohl die neue Theorie Alltagswissen auf den Kopf stellt, ist die Skepsis verflogen. Jetzt kann man alles neu denken.

So behauptet 1924 der französische Physiker Louis de Broglie das bislang Undenkbare: Alle bewegten Teilchen sind Wellen. Ein Tennisball – eine Welle?! Ja, quantenphysikalisch. Schrödinger grübelt: Hat der Kollege Recht, dann sind Elektronen auch Wellen. Er rechnet und erklärt 1926 prompt, warum im Atom die Flugbahnen der Elektronen festgelegt sind. Schrödinger argumentiert: Ein Elektron ist kein Teilchen, sondern eine Welle. Während Teilchen auf beliebigen Flugbahnen rumsausen können, kann eine Welle das nicht. Stark vereinfacht gesagt, kann eine Welle nur auf einer Bahn existieren, die so lang ist wie ein Wellenbogen. Oder so lang wie zwei, drei oder vier Wellenbögen und so weiter. Dies ist der Grund, warum die Flugbahnen festgelegt sind. Schrödinger erhält 1933 den Nobelpreis für eine Formel, die alle Bahnen vorhersagt.

Schrödinger gibt die letzte Antwort auf die Frage, woher Fraunhofers Spektrallinien kommen. Sie entstehen, weil auf der Sonne Elemente vorkommen, in deren Atomen wellenartige Elektronen die Flugbahn wechseln und dabei Licht schlucken. Das konnte Fraunhofer 1814 nun wirklich nicht ahnen.

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