Umkehrung der Natriumlinie - Resonanzabsorption

„Ein Doktor der Philosophie erzählte mir, ein verrückter Kerl wolle auf der Sonne Natrium entdeckt haben.  Ich konnte nicht widerstehen ihm zu sagen, dass ich dieser verrückte Kerl sei.“ // Gustav Kirchhoff (1860)

Eine mit Natrium gefüllte Röhre befindet sich im abgebildeten Heizofen und kann hier auf Temperaturen bis zu 250°C erhitzt werden. Der Ofen ist von vier Seiten durch Fenster einsehbar.

Die Na-Röhre wird mit einer Lampe (Vollspektrum) bestrahlt. In der gradlinigen Verlängerung Lampe – Röhre – befindet sich das Spektroskop. Hier kann das Spektrum  des Lichtes beobachtet werden, das die Na-Röhre passiert hat.

Natrium Absorptionsspektrum
Resonanzabsprption Natrium Aufbau Experiment

Die zweite Lampe (rechts vom Ofen) ist eine Na-Dampf-Lampe. Über ein Prisma wird das einfallende Licht so gebrochen, dass es in das Spektroskop fällt.

Die Optik des Spektroskops kehrt das Bild um, daher ist auf den Bildern das Emissionsspektrum der Na-Dampf-Lampe oben und das Absorptionsspektrum unten.

In den oberen Teil des Spektroskops fällt das, die Na-Röhre passierende Licht, in den unteren Teil fällt das von der Na-Dampf-Lampe emittierte Licht.

Beides Spektren können auf diese Weise parallel dargestellt werden.

Resonanzabsprption Natrium Aufbau Experiment

Emissionsspektrum der Na-Dampf-Lampe 

Absorptionsspektrum der Natriumdampfs

Spektrum der Na-Dampf-Lampe.  (Foto – aufgenommen durch das Spektroskop)

Na-Linie
Resonanzabsprption Natrium Aufbau Experiment

Der “sehr geneigte Beobachter” sollte im unteren Spektrum erkennen, dass die Na-Linie fehlt.

Das Emissionsspektrum der Na-Dampf-Lampe liefert eine Doppellinie bei den Wellenlängen

l1 = 589,6 nm  und  l 2 = 589 nm

Da diese beiden Linien sehr dicht nebeneinander liegen, konnten sie hier, mit der zur Verfügung stehenden Technik nicht getrennt dargestellt werden. Die Auflösung des Prismenspektroskops war zu klein.

Resonanzabsprption Natrium

Doch warum fehlt die Na-Linie?

Atome können nur bestimmte Energieportionen aufnehmen. Für das Na-Atom sind dies im sichtbaren Bereich die Lichtquanten mit den Wellenlängen  l1 = 589,6 nm  und l 2 = 589 nm. Alle anderen Lichtquanten können die Na-Dampf-Lampe ungehindert in Richtung Spektroskop passieren. Die Quanten der Wellenlängen l1 und l 2 regen das Na- Atom an. Nach einer kurzen Verweildauer fallen die angeregten Elektronen in den Grundzustand zurück und emittieren Licht der gleichen Wellenlänge. Diese Emission hat jedoch keine Vorzugsrichtung und erfolgt in alle Richtungen gleichberechtigt. Der Bereich der angeregten Linien im Spektrum wird so geschwächt, dass dieser Bereich schwarz erscheint.

⇒ Schülerbeschreibung (pdf)

Der Auszug aus dem nebenstehenden Termschema zeigt die Energieniveaus der D1 und  D2 Linie.

Energieniveaus des Natrium