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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Spektralanalyse. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Wenn ein Sonnenstrahl ein Prisma passiert, erscheint auf dem Schirm dahinter ein Spektrum. Seit zweihundert Jahren haben wir uns an dieses Phänomen gewöhnt. Wenn man nicht genau hinschaut, scheint es keine scharfen Grenzen zwischen den einzelnen Teilen des Spektrums zu geben: Rot wird kontinuierlich zu Orange, Orange zu Gelb usw. Sorgfältiger als andere untersuchte 1802 der englische Arzt und Chemiker William Hyde Wollaston (1766–1828) das Spektrum. Wollaston entdeckte mehrere scharfe dunkle Linien, die ohne sichtbare Ordnung das Spektrum der Sonne an verschiedenen Stellen schnitten. Der Wissenschaftler misst diesen Linien keine große Bedeutung bei. Er glaubte, dass ihr Erscheinen entweder durch die Eigenschaften des Prismas oder durch die Eigenschaften der Lichtquelle oder durch andere sekundäre Ursachen verursacht wird. Die Linien selbst interessierten ihn nur deshalb, weil sie die farbigen Bänder des Spektrums voneinander trennten. Später wurden diese dunklen Linien Fraunhofer-Linien genannt und verewigt den Namen ihres eigentlichen Forschers. Joseph Fraunhofer (1787-1826) ging im Alter von 11 Jahren nach dem Tod seiner Eltern zu einem Schleifmeister. Aufgrund der Arbeit blieb wenig Zeit für die Schule. Bis zum Alter von 14 Jahren konnte Joseph weder lesen noch schreiben. Aber es gab kein Glück, aber das Unglück half. Eines Tages stürzte das Haus des Besitzers ein. Als Joseph aus den Trümmern geholt wurde, fuhr der Kronprinz vorbei. Er hatte Mitleid mit dem jungen Mann und überreichte ihm eine beträchtliche Summe Geld. Der junge Mann hatte genug Geld, um sich eine Schleifmaschine zu kaufen und ein Studium zu beginnen. Fraunhofer in der Provinzstadt Benediktbeiren lernte das Schleifen von optischen Gläsern. In seinem Vorwort zu den Gesammelten Werken von Fraunhofer fasste E. Lommel seinen Beitrag zur praktischen Optik folgendermaßen zusammen. "Dank der Einführung seiner neuen und verbesserten Methoden, Mechanismen und Messinstrumente zum Drehen und Polieren von Linsen ... gelang es ihm, ausreichend große Proben von Flintglas und Kronglas ohne Adern zu erhalten. Von besonderer Bedeutung war die Methode, für die er fand genaue Bestimmung der Form von Linsen, was die Richtungsentwicklung der praktischen Optik völlig veränderte und das achromatische Teleskop zu einer solchen Perfektion brachte, von der man vorher nicht einmal träumen konnte. Um die Lichtstreuung in Prismen genau zu messen, verwendete Fraunhofer eine Kerze oder Lampe als Lichtquelle. Gleichzeitig entdeckte er im Spektrum eine leuchtend gelbe Linie, die heute als gelbe Natriumlinie bekannt ist. Es stellte sich bald heraus, dass sich diese Linie im Spektrum immer an der gleichen Stelle befindet, so dass es sehr praktisch ist, sie für genaue Messungen von Brechungsindizes zu verwenden. Danach sagt Fraunhofer in seinem Erstlingswerk von 1815: „... Ich beschloss herauszufinden, ob es möglich sei, eine solche leuchtende Linie im Sonnenspektrum zu sehen. Und mit Hilfe eines Teleskops fand ich nicht eine Linie, sondern eine extrem große Anzahl vertikaler Linien, scharfe und schwache, die sich jedoch als dunkler herausstellten als der Rest des Spektrums, und einige von ihnen erschienen fast vollständig schwarz. Insgesamt zählte er sie dort 574. Fraunhofer nannte Namen und gab ihre genaue Lage im Spektrum an. Es wurde festgestellt, dass die Position der dunklen Linien streng unverändert war, insbesondere erschien eine scharfe Doppellinie immer an der gleichen Stelle im gelben Teil des Spektrums. Fraunhofer nannte es die Linie O. Der Wissenschaftler entdeckte auch, dass im Spektrum der Flamme einer Alkohollampe an der gleichen Stelle wie die dunkle Linie O im Spektrum der Sonne immer eine helle doppelte gelbe Linie ist. Erst viele Jahre später wurde die Bedeutung dieser Entdeckung klar. Fraunhofer setzte seine Studien über dunkle Linien im Spektrum der Sonne fort und erkannte vor allem: Ihre Ursache liegt nicht in einer optischen Täuschung, sondern in der Natur des Sonnenlichts. Als Ergebnis weiterer Beobachtungen fand er ähnliche Linien im Spektrum von Venus und Sirius. Eine Entdeckung von Fraunhofer erwies sich, wie sich später herausstellte, als besonders wichtig. Die Rede ist von der Beobachtung der doppelten D-Linie. Als der Wissenschaftler 1814 seine Forschung veröffentlichte, wurde dieser Beobachtung nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt. 43 Jahre später fand William Swan (1828–1914) jedoch heraus, dass die doppelte gelbe O-Linie im Spektrum einer Spirituslampenflamme in Gegenwart von Natriummetall erscheint. Leider erkannte Swan, wie viele vor ihm, die Bedeutung dieser Tatsache nicht. Die entscheidenden Worte hat er nie gesagt: "Diese Linie gehört zum Natriummetall." Im Jahr 1859 kamen zwei Wissenschaftler auf diese einfache und wichtige Idee: Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) und Robert Wilhelm Bunsen (1811–1899). Das folgende Experiment führten sie im Labor der Universität Heidelberg durch. Vor ihnen wurde entweder nur der Sonnenstrahl oder nur das Licht einer Spirituslampe durch ein Prisma geleitet. Wissenschaftler beschlossen, sie gleichzeitig zu überspringen. Dabei entdeckten sie ein Phänomen, über das L.I. in seinem Buch ausführlich spricht. Ponomarev: „Wenn nur ein Sonnenstrahl auf das Prisma fiel, dann sahen sie auf der Spektroskopskala das Spektrum der Sonne mit der dunklen O-Linie an ihrer gewohnten Stelle. Die dunkle Linie blieb immer noch an Ort und Stelle, selbst als die Forscher a platzierten.“ Brennende Alkohollampe im Strahlengang. Als man aber einen Schirm in den Strahlengang der Sonne stellte und das Prisma nur mit dem Licht einer Alkohollampe beleuchtete, erschien anstelle der dunklen Linie O die hellgelbe Natriumlinie Es erschien deutlich O. Kirchhoff und Bunsen entfernten den Schirm – die O-Linie wurde wieder dunkel. Dann ersetzten sie den Sonnenstrahl durch das Licht eines heißen Körpers – das Ergebnis war immer dasselbe: Anstelle einer hellgelben Linie erschien ein dunkler. Das heißt, die Flamme der Spirituslampe absorbierte immer die Strahlen, die sie selbst aussendete. Um zu verstehen, warum dieses Ereignis die beiden Professoren erregte, folgen wir ihrer Argumentation. Die hellgelbe O-Linie im Spektrum der Spirituslampenflamme erscheint in Gegenwart von Natrium. Im Spektrum der Sonne befindet sich an derselben Stelle eine dunkle Linie unbekannter Natur. Das Spektrum des Strahls eines heißen Körpers ist kontinuierlich und enthält keine dunklen Linien. Lässt man einen solchen Strahl jedoch durch die Flamme einer Alkohollampe, dann unterscheidet sich sein Spektrum nicht vom Spektrum der Sonne – es enthält auch eine dunkle Linie und zwar an derselben Stelle. Aber wir kennen die Natur dieser dunklen Linie bereits fast; auf jeden Fall können wir vermuten, dass sie zu Natrium gehört. Daher kann die Natrium-O-Linie je nach Beobachtungsbedingungen entweder hellgelb oder dunkel auf gelbem Hintergrund sein. Aber in beiden Fällen bedeutet das Vorhandensein dieser Linie (egal was – gelb oder dunkel!) dass sich Natrium in der Flamme der Alkohollampe befindet. Und da eine solche Linie im Spektrum der Flamme einer Alkohollampe im Durchlicht mit der dunklen Linie O im Spektrum der Sonne zusammenfällt, bedeutet dies, dass sich Natrium auf der Sonne befindet. Außerdem befindet es sich in der gasförmigen äußeren Wolke, die von innen vom heißen Kern der Sonne beleuchtet wird. Eine kurze Notiz von zwei Seiten, geschrieben von Kirchhoff im Jahr 1859, enthielt vier Entdeckungen auf einmal: - jedes Element hat sein eigenes Linienspektrum, d. h. einen genau definierten Satz von Linien; - solche Linien können verwendet werden, um die Zusammensetzung von Substanzen nicht nur auf der Erde, sondern auch auf Sternen zu analysieren; - Die Sonne besteht aus einem heißen Kern und einer relativ kalten Atmosphäre aus heißen Gasen; Die Sonne enthält das Element Natrium. Die ersten drei Thesen wurden bald bestätigt, insbesondere die Hypothese über den Aufbau der Sonne. Die Expedition der Französischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 1868 unter der Leitung des Astronomen Jansen besuchte Indien. Sie entdeckte, dass bei einer totalen Sonnenfinsternis in dem Moment, in dem ihr heißer Kern vom Mondschatten bedeckt ist und nur die Korona leuchtet, alle dunklen Linien im Spektrum der Sonne in hellem Licht aufblitzen. Kirghof und Bunsen bestätigten nicht nur glänzend den zweiten Platz, sondern nutzten ihn auch, um zwei neue Elemente zu entdecken: Rubidium und Cäsium. So entstand die Spektralanalyse, mit deren Hilfe man heute die chemische Zusammensetzung ferner Galaxien herausfinden, Temperatur und Rotationsgeschwindigkeit von Sternen messen und vieles mehr kann. Später wurde meistens elektrische Spannung verwendet, um Elemente in einen angeregten Zustand zu bringen. Unter dem Einfluss von Spannung senden die Elemente Licht aus, das durch bestimmte Wellenlängen gekennzeichnet ist, dh eine bestimmte Farbe hat. Dieses Licht wird in einem Spektralapparat (Spektroskop) aufgespalten, dessen Hauptteil ein Glas- oder Quarzprisma ist. In diesem Fall wird ein Streifen gebildet, der aus einzelnen Linien besteht, von denen jede für ein bestimmtes Element charakteristisch ist. Bisher war beispielsweise bekannt, dass das Mineral Kleveit beim Erhitzen ein stickstoffähnliches Gas freisetzt. Bei der Untersuchung mit einem Spektroskop stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Gas um ein neues, noch unbekanntes Edelgas handelte. Bei elektrischer Anregung sendete es Linien aus, die zuvor bei der Analyse der Sonnenstrahlen mit einem Spektroskop entdeckt worden waren. Dies war ein besonderer Fall, als Ramsay ein zuvor auf der Sonne entdecktes Element auf der Erde entdeckte. Der Name Helium stammt vom griechischen Wort „helios“ – Sonne. Heute sind zwei Arten von Spektren bekannt: kontinuierliche (oder thermische) und Linienspektren. Wie Ponomarev schreibt: „Das thermische Spektrum enthält alle Wellenlängen, es wird emittiert, wenn Festkörper erhitzt werden, und hängt nicht von ihrer Beschaffenheit ab. Ein Linienspektrum besteht aus einer Reihe einzelner scharfer Linien; es erscheint, wenn Gase und Dämpfe erhitzt werden (wenn die Wechselwirkungen zwischen Atomen gering sind), und – was besonders wichtig ist – diese Liniengruppe ist für jedes Element einzigartig. Darüber hinaus hängen die Linienspektren von Elementen nicht von der Art der aus diesen Elementen zusammengesetzten chemischen Verbindungen ab. Folglich muss ihre Ursache in den Eigenschaften der Atome gesucht werden. Die Tatsache, dass die Elemente eindeutig und vollständig durch die Art des Linienspektrums bestimmt sind, wurde bald von allen erkannt, aber die Tatsache, dass dasselbe Spektrum ein einzelnes Atom charakterisiert, wurde nicht sofort erkannt, sondern erst 1874, dank der Arbeiten des berühmten englischen Astrophysiker Norman Lockyer (1836-1920). Und als sie es erkannten, kamen sie sofort zu dem unvermeidlichen Schluss: Da das Linienspektrum innerhalb eines einzelnen Atoms entsteht, muss das Atom eine Struktur haben, dh Bestandteile haben! Autor: Samin D. K.
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