Das Absorptionsspektrum: die Umkehr der Linien

Atome senden nicht nur ihre Kennlinien, sie schlucken auch genau dieselben. Ein kaltes (genauer: kühleres) Gas vor einer Kontinuumsquelle hebt Elektronen mit genau passenden Photonen an. Diese Wellenlängen fehlen danach im Durchlicht: dunkle Absorptionslinien an den Orten der Emissionslinien. Der Kirchhoffsche Umkehrversuch zeigt beide Gesichter am selben Natrium und deutet damit die Fraunhofer-Linien im Sonnenspektrum.

Der Versuch vollendet die Logik der Spektroskopie: Emission verrät, was leuchtet; Absorption verrät, was dazwischen steht. Damit wird kaltes, selbst unsichtbares Gas nachweisbar. Die Astrophysik lebt davon: Die Chemie der Sonnenatmosphäre, die Zusammensetzung von Sternhüllen und Exoplaneten-Atmosphären, alles wird aus dunklen Linien gelesen. Ein Schulbrenner und eine Halogenlampe zeigen das Prinzip vollständig.

Fraunhofer katalogisierte 1814 über 500 dunkle Linien im Sonnenspektrum, noch ohne Deutung. Kirchhoff und Bunsen erkannten 1859 mit genau unserem Umkehrversuch: Die dunkle D-Linie der Sonne liegt exakt auf dem Labor-Natriumgelb, die Sonne enthält also Natrium. Der Satz „Wir können die Chemie der Sterne bestimmen“ galt kurz zuvor noch als Musterbeispiel des prinzipiell Unwissbaren. Die Astrophysik beginnt mit diesem Experiment.

Richte das Kontinuum der Halogenlampe durchs Gitter ein, bringe die salzbeschickte Flamme vor den Spalt und suche die dunkle Linie. Schalte dann die Lampe ab und vergleiche mit der Emissionslinie derselben Flamme. Markiere die Positionen genau gegeneinander.

Die Vorhersage aus der Energieleiter: Absorption ist der Aufwärts-Sprung. Ein Natriumatom im Grundzustand kann aus dem Kontinuum genau die Photonen fangen, deren Energie einer Sprosse entspricht, allen voran die 2,1 eV der 589-nm-Doppellinie. Diese Wellenlänge muss im Durchlicht fehlen: eine dunkle Linie genau am Ort des bekannten Emissions-Gelbs. Alle anderen Photonen passen auf keine Sprosse und fliegen ungehindert durch; das übrige Kontinuum bleibt intakt.

Die Streu-Frage vorab geklärt: „Aber das Atom strahlt die Energie doch sofort wieder ab. Warum bleibt die Linie dann dunkel?“ Es strahlt, aber in alle Richtungen gleichmäßig. Von dem, was vorher gebündelt Richtung Spalt lief, kommt nur ein winziger Bruchteil wieder auf Kurs. Die Linie ist deshalb abgedunkelt, nicht schwarz, ein Vorhersagedetail, das man am Schirm prüfen kann.

Erst die Emissionslinie (Lampe aus) scharf einrichten und ihre Position am Schirm mit Bleistift markieren. Dann die Lampe einschalten und nur noch beobachten. Die Marke entscheidet die Kernfrage „selber Ort?“ ganz ohne Umbau.

Strahlengang: Halogenlampe, Flamme mit Salzzufuhr, Spalt, Gitter, Schirm; darunter zwei Schirmbilder: Kontinuum mit dunkler Linie / schwarzer Grund mit heller Linie: an derselben Marke.

Aufbau: Halogenlampe (kräftiges Kontinuum) mit Kondensor und Spalt, Gitter 100 Striche/mm, Schirm; Brenner mit Magnesiastäbchen-Halter und reichlich NaCl (oder Salzsprühlösung) dicht hinter dem Spalt; Verdunkelung.

Schritt 1: Lampe aus, Flamme salzen und die Emissionslinie markieren. Schritt 2: Lampe an und das Kontinuum prüfen: Ist es ohne Flamme lückenlos? Schritt 3: Flamme mit kräftiger Salzzufuhr in den Strahlengang bringen und das Band an der Marke beobachten. Schritt 4: Salzzufuhr stoppen. Verschwindet die dunkle Linie?

Die Umkehr ist vollständig gezeigt: Dieselbe Flamme, dieselbe Wellenlänge. Als einzige Lichtquelle sendet das Natrium bei 589 nm; vor dem helleren Kontinuum schluckt es genau dort. Die Bleistiftmarke beweist die Ortsgleichheit. Emissions- und Absorptionslinie sind zwei Betriebsarten derselben Energiesprosse, aufwärts mit geliehenem Photon, abwärts mit eigenem. Und dass die Linie nur abgedunkelt ist (Streuung in alle Richtungen), kam wie vorhergesagt.

Der Kirchhoff-Schluss auf die Sonne: Das Sonnenspektrum ist ein Kontinuum voller dunkler Linien, und eine der kräftigsten (Fraunhofers „D“) liegt genau auf unserer Natrium-Marke. Die Logik des Versuchs überträgt sich eins zu eins: Das heiße Innere liefert das Kontinuum, die kühlere Gashülle davor schluckt ihre Kennlinien heraus. Die Sonne führt also unseren Aufbau vor, mit der Halogenlampe als Sonneninnerem und der Salzflamme als Sonnenatmosphäre. Aus den Linienorten liest man die Elemente der Hülle ab: Natrium, Eisen, Wasserstoff, Calcium. Sternenchemie per Bleistiftmarke.

Warum Absorption das mächtigere Werkzeug ist: Leuchten muss angeregt werden, Schlucken nicht. Absorptionslinien verraten deshalb auch kaltes Gas, das nie von selbst strahlen würde: interstellare Wolken oder Planetenatmosphären beim Vorüberziehen vor ihrem Stern (die Transit-Spektroskopie sucht so nach Wasserdampf auf Exoplaneten). Der unscheinbare Schritt „Lampe an“ öffnet die Nachweisbarkeit für alles, was zwischen uns und einer Lichtquelle steht.

Natrium sendet und schluckt bei genau derselben Wellenlänge, wie der Bleistiftmarken-Beweis zeigt. Absorptionslinien sind aufwärts benutzte Energiesprossen. Damit sind die Fraunhofer-Linien der Sonne als Absorptionsspektrum ihrer Gashülle gedeutet: Sternenlicht wird zum Chemiebericht.

Der Versuch scheitert praktisch nie an der Physik, aber oft an der Sichtbarkeit: