Farbiges Licht

Ursprünglich gab es Leuchtdioden, wie sie zum Beispiel in LED-Streifen vorkommen, nur in Rot und Gelb. Heute sind LEDs fast in allen Farben erhältlich und ersetzen in vielen Bereichen herkömmliche Technologien, wie zum Beispiel Glühlampen. In einem LED-Display kann jeder Farbeindruck erzeugt werden, indem man die Farbanteile von nur einigen wenigen LED-Farben mischt.

Auch weißes Licht (z. B. Sonnenlicht) kann in seine Spektralfarben aufgespalten werden. Im Alltag lässt sich das beispielsweise an einem Regenbogen beobachten; in Versuchen lässt sich der Effekt durch die Verwendung eines Glasprismas erzeugen.

Farbiges Licht hast du bestimmt auch schon in Leuchtstoffröhren und in Flammen gesehen. Physikalisch gesehen lassen sich all diese Farberscheinungen mit elektronischen Anregungsvorgängen in den Atomen erklären.

Farbiges Licht kennt man auch von bunten Silvesterraketen. Die Farben entstehen durch Zusätze in den Raketen, die bei der Explosion durch das Schwarzpulver Licht in verschiedenen Wellenlängen, also Farben, ausstrahlen. Im Labor kann man diese Lichterscheinungen auch experimentell nachstellen. Man bringt dazu verschiedene Verbindungen (Metallsalze) in eine Flamme. Das geschieht, indem die Verbindung auf einem Magnesiastäbchen aufgenommen und dann in die farblose Flamme eines Gasbrenners gehalten wird. Eine weitere Möglichkeit, farbiges Licht zu erzeugen, siehst du im folgenden Bild.

Das so erzeugte Licht kann mithilfe eines Prisma „zerlegt“ werden. So stellt man fest, dass im Gegensatz zum weißen Licht kein vollständiges Farbspektrum sichtbar wird. Stattdessen sieht man ein ganz besonderes, charakteristisches Spektrum des ausgestrahlten (emittierten) farbigen Lichts. Dieses Emissionsspektrum weist viele einzelne Farblinien auf. Dort, wo keine Linien auftauchen, bleibt das Spektrum ganz schwarz. Ein solches Emissionsspektrum nennt man auch Linienspektrum. 

Es gibt auch Lichtquellen, deren Linienspektrum ein vollständiges Farbspektrum bilden. Zum Beispiel die Kohlebogenlampe. 

Die Kohlebogenlampe erzeugt einen Lichtbogen zwischen zwei Graphitelektroden. Dieses Licht enthält alle Farben von Rot bis Violett, wobei die Farben lückenlos aufeinander folgen. Die Kohlenbogenlampe erzeugt also ein kontinuierliches Spektrum.

Das Licht der Sonne zeigt ein beinahe kontinuierliches Spektrum. Bei genauer Untersuchung kann man jedoch feststellen, dass einige Wellenlängen fehlen und das ansonsten kontinuierliche Spektrum durch schwarze Linien unterbrochen wird. Diese Linien sind als Fraunhofersche Linien bekannt (nach dem Wissenschaftler Joseph Fraunhofer).

In einer heißen Flamme erhalten die Atome thermische Energie, die ihrer kinetischen Energie entspricht. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Atome und haben somit eine höhere kinetische Energie. Diese Bewegung der Atome kann auch zu Zusammenstößen zwischen ihnen führen, bei denen Energie von einem Atom auf ein anderes übertragen wird. Dabei kann es passieren, dass Elektronen diese Energie aufnehmen und angeregt werden. Wie man sich diese thermische Anregung vorstellen kann, erläutert das Schalenmodell nach NIELS BOHR (BOHRsches Atommodell). 

In der folgenden Abbildung ist ein Atom im BOHRschen Atommodell dargestellt. In der Mitte befindet sich der Atomkern, und darin die Neutronen und die positiv geladenen Protonen.  Abbildungen dieser Art vereinfachen oft den Kern durch eine Kugel. Die Elektronen werden auf Schalen dargestellt, die hier nummeriert sind. Die Besetzung der Schalen erfolgt von innen nach außen, beginnend mit Schale 1.

In dem hier dargestellten Atom gibt es nur ein Elektron.

Das BOHRsche Atommodell, das hier verwendet wird, ersetzte das RUTHERFORDsche Atommodell im Jahr 1913. NIELS BOHR konnte in seinem Modell durch die Einführung von drei Postulaten zwei Probleme lösen, die mit dem Modell nach Rutherford nicht erklärt werden konnten:

1. 1Die Stabilität der Atome konnte zuvor nicht beantwortet werden. Aus klassischer Sicht führen die kreisenden Elektronen eine beschleunigte Bewegung aus. Beschleunigte Ladungen sollten elektromagnetische Energie abstrahlen und als Folge würden die Elektronen abgebremst und in den Kern fallen.
2. 2Forschungen wie die BALMER-Serie und der FRANCK-HERTZ-Versuch zeigten, dass Energie von Atomen in festgelegten (quantenhaften) Mengen abgegeben oder aufgenommen wird, was komisch war. Man schloss daraus, dass Atome nur bestimmte (diskrete) Energiestufen haben können. Im Atommodell von RUTHERFORD waren jedoch alle möglichen Radien der Elektronenbahnen und somit auch Elektronengeschwindigkeiten erlaubt. Somit konnte die Gesamtenergie eines Elektrons, die sich aus kinetischer und potenzieller Energie zusammensetzt, keine diskreten Werte annehmen. Das stellte einen Widerspruch zu den experimentellen Befunden dar.

Anstelle der Darstellung im BOHRschen Atommodell werden Emissions- und Absorptionsvorgänge meistens in Energieniveauschemata dargestellt.

Man kann sich das so vorstellen, dass man die einzelnen Schalen des zweidimensionalen Atommodells als Linien darstellt. Jede Linie entspricht der Energie eines spezifischen elektronischen Zustands. Die elektronischen Zustände werden von den Quantenzahlen bestimmt. 

Eine Anregung erfolgt, wenn das Elektron Energie absorbiert, die genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entspricht. Bei der Emission von elektromagnetischer Strahlung fällt das Elektron aus diesem angeregten Zustand zurück. Dabei wird die Energiemenge in Form von elektromagnetischer Strahlung freigesetzt, die der Energiedifferenz zwischen den Zuständen entspricht.

Den Zusammenhang zwischen den Darstellungsformen, siehst du in der folgenden Animation.

Viele Elemente können im gasförmigen Zustand durch Energiezufuhr zum Leuchten angeregt werden. Dieses Prinzip wird beispielsweise in Spektralröhren oder Leuchtröhren genutzt, um Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu erzeugen. Für analytische Zwecke (spektroskopische Analyse) kann die Anregung eines Gasgemisches auch genutzt werden. Ein charakteristisches Licht wird bei der Anregung jedes chemischen Elements emittiert. Dieses Licht kann mithilfe eines Gitters in seine verschiedenen Farben zerlegt werden, wodurch ein charakteristisches Linienspektrum entsteht. Am Beispiel des Wasserstoffs und seines zugehörigen Energieniveauschemas kann dies erläutert werden.

Wie bereits erwähnt, sind im Wasserstoffatom eine Vielzahl von elektronischen Anregungen möglich. Dies wird auch durch die alternative modellhafte Abbildung der möglichen Übergänge deutlich. In Abhängigkeit dazu, welche Elektronenbahn die „Heimatbahn“ ist, wurden auch hier die Übergänge zu den jeweiligen Serien zusammengefasst. Nur wenige dieser Übergänge führen zu sichtbaren Leuchterscheinungen bei der Emission. Dies lässt sich dadurch erklären, dass nur bei der BALMER-Serie die Energiedifferenzen zwischen der Heimatbahn m = 2 und den verschiedenen Sprungbahnen n = 3, 4, 5 ... einer Energie und somit Wellenlänge entspricht, die im sichtbaren Bereich liegt. Diese sichtbare Emission kann beispielsweise in einer BALMER-Lampe beobachtet werden. Alle anderen Emissionen liegen im ultravioletten oder infraroten Bereich des Spektrums und sind für das bloße Auge unsichtbar.

Eine BALMER-Lampe ist eine Kapillarröhre, die mit Wasserdampf gefüllt ist. Durch elektrische Entladungen entsteht in der Röhre atomarer Wasserstoff. Das von der Röhre emittierte Licht erscheint pink. Dieser entsteht durch die für Wasserstoff charakteristische Emission. Die Linien im Emissionsspektrum der BALMER-Serie, benannt nach ihrem Entdecker Johann Jakob Balmer, liegen im sichtbaren Bereich des Spektrums.

In einem Emissionsspektrum werden die Intensitäten der Emissionen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die Emissionen des Wasserstoffs manifestieren sich als scharf begrenzte Linien, was bedeutet, dass nach einer Anregung nur Licht bestimmter Wellenlängen und somit spezifischer Energien abgestrahlt wird.

Das bunte Leuchten von LEDs, wie zu Beginn des Moduls erwähnt, basiert ebenfalls auf Emissionen im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums. Hier wird ebenfalls beim Übergang von einem energetisch höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Niveau Energie in Form von Licht abgestrahlt.

Durch gezielte Fortschritte in der Entwicklung von Halbleitermaterialien, die in LEDs verwendet werden, wurde das Spektrum der verfügbaren LED-Farben erweitert. Heutzutage können nicht nur rote LEDs, sondern auch gelbe, grüne und blaue LEDs hergestellt werden. Um jedoch vollständig zu verstehen, wie LEDs funktionieren und wie wie durch die Synthese neuartiger Halbleitermaterialien die Energieniveaus verändert und so die Farbe des emittierten Lichts beeinflusst wird, bedarf es weiterer Kenntnisse über physikalische Vorgänge in Halbleitermaterialien.