Dr. Wiebke Salzmann
freie Lektorin und Autorin
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Spektren
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Spektren
Das Licht der uns umgebenden Lichtquellen ist aus verschiedenen Farben zusammengesetzt. Diese Zusammensetzung bezeichnet man als Spektrum. Das weiße Sonnenlicht besteht aus allen „Regenbogenfarben“, die zwar in unterschiedlicher Intensität vorhanden sind, aber ein kontinuierliches Spektrum von blau nach rot bilden. (Beim Ansehen des Tageslichtspektrums bitte niemals in die Sonne sehen, sondern immer in den Himmel!) Im Gegensatz dazu enthält das Licht, welches das Kaminfeuer in Abb. 2 ausstrahlt, kein Blau (jedenfalls keines, das ich mit dem Handspektroskop hätte sehen können), sondern überwiegend Rot und Grün und eine schmale gelbe Linie. Das Spektrum einer Energiesparlampe ist nur aus einzelnen Linien zusammengesetzt mit großen Lücken dazwischen. In diesem Spektrum sind also nur wenige Farben vertreten, die in der Überlagerung aber trotzdem Weiß ergeben. Auch ein Fernseher strahlt Licht aus. Der Fernsehbildschirm besteht aus roten, blauen und grünen Bildpunkten. Die Überlagerung dieser drei Farben ergibt dann die jeweils tatsächlich darzustellende Farbe. Richtet man das Handspektroskop auf einen Fernseher, kann man gut erkennen, dass das von ihm ausgestrahlte Licht aus Rot, Grün und Blau besteht. Interressanterweise weisen Grün und Blau ein kontwww.astromedia.deinuierliches Spektrum auf, während Rot aus einzelnen Linien besteht. (Der Fernseher, von dem hier die Rede ist, ist noch ein Röhrenfernseher.)
Interessant fand ich den Vergleich zwischen dem Spektrum eines Röhren(fernseh)bildschirms (Abbildung 3) und dem eines (Computer-)Flachbildschirms (Abbildung 5). In beiden werden die verschiedenen Farben ja erzeugt, indem das Licht von roten, grünen und blauen Pixeln in verschiedener Intensität gemischt wird. Beim Röhrenfernseher bestehen diese Pixel aus Farbstoffen, die durch den Elektronenstrahl zum Leuchten angeregt werden. (In der Röhre wird ein Elektronenstrahl erzeugt und durch elektrische Spannungen zeilenweise über den Bildschirm geführt. Indem er die Bildschirmpixel zum Leuchten anregt, erzeugt er das Bild.) Die Pixel selbst sind also hier die Lichtquelle. Deshalb sieht man beim Röhrenfernseher auch nur rotes, blaues oder grünes Licht.
Ein Flachbildschirm – genauer gesagt: ein Flüssigkristallbildschirm oder auch LCD-Bildschirm – besteht aus vielen Segmenten, deren Lichtdurchlässigkeit durch Anlegen einer elektrischen Spannung verändert werden kann. Ein solcher Bildschirm ist also hinterleuchtet und die einzelnen Segmente (Bildpixel) werden mehr oder weniger lichtdurchlässig geschaltet. Um die Farben zu erzeugen, verwendet man auch hier Segmente für die drei Farben rot, grün und blau. Lichtquelle bleibt aber die Hintergrundbeleuchtung, so dass man im Spektroskop auch deren Spektrum sieht, das dem der Energiesparlampe ähnelt. (Bei beiden handelt es sich um Kathodenröhren.)
Das Handspektroskop
Die hier gezeigten Spektren habe ich mit dem „Handspektroskop“ von www.astromedia.de beobachtet und fotografiert. Das Handspektroskop ist ein Pappmodell, das man als Bausatz bekommt. Der Zusammenbau ist unkompliziert (mir ist es allerdings trotz langem Überlegen und Probieren gelungen, die Skala falsch herum einzukleben, weshalb zwar die Spektrallinien an den richtigen Stellen der Skala liegen, ich die Wellenlängenangaben aber spiegelverkehrt lesen muss. Auf den Fotos lässt sich so etwas dank GIMP ja zum Glück leicht korrigieren …). Die Skala des Handspektroskops reicht von 400 nm bis 700 nm und hat eine Unterteilung in 5-nm-Schritten. Dass es recht genau ist, sieht man an der Natriumlinie im Kaminfeuer (Abbildung 2) und an der roten Linie des Laserpointers (Abbildung 9).
Beugungsgitter
Beugungsgitter
Wie auf der Seite Beugung und Interferenz beschrieben, sind die bei der Beugung am Spalt auftretenden Beugungsmaxima umso höher und enger, je mehr Spalten man verwendet. Ein Beugungsgitter erzeugt entsprechend schmale, hohe Maxima. Da die Maxima für jede Farbe an einem anderen Platz liegen, kann ein Beugungsgitter genutzt werden, um Licht in seine Farben zu zerlegen. Beugungsgitter kommen deshalb in Spektroskopen zum Einsatz (wie auch dem Handspektroskop).
Wie auf der Seite Beugung und Interferenz beschrieben, sind die bei der Beugung am Spalt auftretenden Beugungsmaxima umso höher und enger, je mehr Spalten man verwendet. Ein Beugungsgitter erzeugt entsprechend schmale, hohe Maxima. Da die Maxima für jede Farbe an einem anderen Platz liegen, kann ein Beugungsgitter genutzt werden, um Licht in seine Farben zu zerlegen. Beugungsgitter kommen deshalb in Spektroskopen zum Einsatz (wie auch dem Handspektroskop).
Die Fotos
Beim Fotografieren hatte ich mit mehreren Schwierigkeiten zu kämpfen: Da sowohl Spektroskop als auch Digitalkamera mehr oder weniger freihändig zu halten waren, erforderte das gelegentlich etwas Geduld. Das Abfotografieren kontinuierlicher Spektren erwies sich als unerwartet schwierig, weil die Kamera oft nur Rot–Grün–Blau darstellte. Das muss mit der Reaktion der Pixel des Kamerachips auf den Lichteinfall zu tun haben. Mit dem Spektroskop jedenfalls nicht, denn mit bloßem Auge sind die Spektren einwandfrei zu erkennen.
Generell gilt bei den Fotos, dass die auf der Skala abzulesende Wellenlänge das Entscheidende für die Farbbestimmung ist und nicht die tatsächliche Farbdarstellung. Die entspricht auf dem Foto nicht ganz dem mit bloßem Auge wahrgenommenen. Auch die Intensität ist zum Teil durch die Kamera farbabhängig verfälscht. Dazu kommt noch, dass ich die Helligkeit bei den Aufnahmen anschließend im Bildbearbeitungsprogramm GIMP erhöht habe, damit auch die Skala sichtbar wird.
- Abb. 1 ¦ Tageslicht
- Das kontinuierliche Spektrum des Tageslichts. Das Foto stimmt in den Farben nicht ganz mit dem Original überein. (Beim Ansehen des Tageslichtspektrums bitte niemals in die Sonne sehen, sondern immer in den Himmel!)
- Abb. 2 ¦ Holzfeuer
- Das Licht dieses Holzfeuers enthält kein Blau, sondern überwiegend Rot und Grün und eine schmale gelbe Linie. Diese Linie liegt bei knapp 590 nm; es könnte sich also um die bekannte gelbe Natriumlinie handeln. (Genau genommen sind es zwei Natriumlinien bei 589 und 589, 59 nm.) Diese intensive gelbe Linie ist für die Gelbfärbung des Lichtes von Natriumdampflampen verantwortlich. Und das Vorhandensein von Natriumsalzen irgendwo in oder auf dem Kaminholz ist nicht unmöglich.
- Abb. 3 ¦ Fernseher
- Das Licht eines (Röhren)fernsehers besteht nur aus Rot, Grün und Blau. Interessanterweise weisen Grün und Blau ein kontinuierliches Spektrum auf, während Rot aus einzelnen Linien besteht. Wie intensiv die einzelnen Farben zu sehen sind, hängt – wie nicht anders zu erwarten – davon ab, welche Farben das Bild gerade dominieren. Blau und Grün können daher auch zu schmaleren Streifen werden, während bei Rot immer die beiden schmalen Linien zu sehen sind, wenn auch mit unterschiedlicher Intensität. Zum Fotografieren habe ich ein helles Bild genommen, mit entsprechend großen Intensitäten. Etwas Gelb (bei 580 bis 595 nm) ist auch zu sehen, mit bloßem Auge jedoch sehr schwach ausgeprägt.
- Abb. 4 ¦ Energiesparlampe
- Das Spektrum einer Energiesparlampe ist aus einzelnen Linien zusammengesetzt. Die Blautöne werden nicht gut wiedergegeben – die linke (kurzwelligere) Linie ist violett, die rechte (langwelligere) ist blaugrün, der Bereich zwischen 580 und knapp 600 nm entspricht gelb.
- Abb. 5 ¦ LCD-Bildschirm
- Das Spektrum eines LCD-Bildschirm sieht aus wie das der Energiesparlampe (zur Verfälschung der Farben siehe Abbildung 4). Das verwundert insofern nicht, als die Hintergrundbeleuchtung ebenfalls eine Kathodenröhre ist. Deren Licht wird gefiltert, um die roten, grünen und blauen Pixel zu erhalten.
- Abb. 6 ¦ Weiße LED
- Das Spektrum einer weißen LED ist kontinuierlich wie das Tageslicht. Die Farbzusammensetzung unterscheidet sich jedoch, was hier auf den Fotos nicht zu erkennen ist. Diese LED (aus einer Fahrradlampe) enthält einen größeren Anteil im hellblau-türkisen Bereich.
- Abb. 7 ¦ Blaue LED
- Abb. 8 ¦ Rote LED
- Das Spektrum dieser roten LED enthielt am Rand auch gelbe Anteile, was hier kaum zu sehen ist.
- Abb. 9 ¦ Laserpointer
- Das Spektrum dieses Laserpointers besteht aus einer einzigen sehr scharfen Linie (was bei einem Laser auch zu erwarten war). Auf dem Gerät angegeben waren 640–645 Nanometer Wellenlänge, was das Handspektroskop auch gut wiedergibt (Auch wenn nur das obere Ende der Linie zu sehen ist, aber dies liegt bei 645 nm). Das Spektrum habe ich in der Reflexion auf einer weißen Wand beobachtet, denn auch auf die Gefahr, mich zu wiederholen – Niemals direkt in einen Laser blicken!
© Wiebke Salzmann, August 2013