Die Chemie der Sterne und die Bedeutung der Spektrallinien

Einige der interessantesten Informationen über Himmelskörper gewinnen die Astronomen aus Licht, das gar nicht da ist: Spektrallinien, deren eine Ausprägung darin besteht, dass ein Objekt in einem engen Farbbereich deutlich weniger Licht aussendet als bei anderen Farben. Diese und andere Spektrallinien sehen die Astronomen, wenn sie das Licht ferner Himmelskörper in viele Teilfarben zerlegen, ähnlich einem fein aufgeteilten Regenbogen. Die bei solcher Zerlegung entstehenden Spektren sind neben astronomischen Bildern die wichtigste Sorte astronomischer Daten. Für die Astrophysik dürften sie letztlich sogar wichtiger sein als die Bilder.

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Sonnenspektrum (am Mond reflektiertes Sonnenlicht). Eigenes Bild

Grund genug, den Spektrallinien und den Informationen, die in ihnen stecken, eigene Blogbeiträge zu widmen – unter anderem wieder im Rahmen der Vorlesung Methoden der Astronomie für Nichtphysiker. Hier erst einmal der historische Teil bis hin zu Bunsen und Kirchhoff.

Wollastons und Fraunhofers praktische Spektrallinien

Erstmals aufgefallen sind die Linien, genauer: scharfe, dunkle Linien im Spektrum der Sonne, zu Anfang des 19. Jahrhunderts dem britischen Arzt und Naturforscher William Wollaston, der sie am Ende eines ausführlichen Artikels über das Brechungsvermögen unterschiedlicher Materialien für unterschiedliche Farben beschreibt und sie als eine Art Grenzen zwischen den Farben des Spektrums ansah. Hier die Abbildung, die dokumentiert unter welchen Bedingungen und wo er die Linien sah (Abb. 3 aus Wollaston 1802):

screen-shot-2016-12-28-at-23-46-54Nun ist in der Wissenschaft zwar sicher auch wichtig, wer etwas entdeckt; zum Fortgang der Forschung trägt es aber nur bei, wenn andere die Entdeckung aufgreifen und weitertragen.

Um eine Redewendung über Columbus und die europäische Entdeckung Amerikas zu borgen: derjenige, der die dunklen Linien im Sonnenspektrum so gründlich entdeckte, dass sie danach nicht mehr aufs Neue entdeckt werden musste, war der Optiker und Physiker Joseph von Fraunhofer; hier die entscheidende Abbildung aus dem Artikel, in dem Fraunhofer seine entsprechende Arbeit der Bairischen Akademie der Wissenschaften vorstellte:

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Tafel II aus Joseph von Fraunhofer: “Bestimmungs des Brechungs- und Farbenzerstreuungs-Verm¨ogens verschiedener Glasarten, in Bezug auf die Vervollkommnung achromatischer Fernröhre” in Denkschriften der Königlichen Academie der Wissenschaften für die Jahre 1814 und 1815, Bd. V. München 1817. Classe der Mathematik und Naturwissenschaften, S. 193–226.

Darin sind mehr als hundert Linien unterschiedlicher Stärke dokumentiert. Woher diese Linien kommen, hat Fraunhofer allerdings gar nicht so recht interessiert. Sein Interesse galt dem praktischen Nutzen von dunklen, scharf begrenzten Linien bei genau definierten Wellenlängen. Mithilfe dieser Linien als Markierungen für bestimmte Wellenlängen konnte er nämlich die genauen Brechungseigenschaften (wie ändert Licht beim Übergang seine Richtung?) und Dispersonseigenschaften (wie weit wird das Spektrum aufgefächert?) für unterschiedliche Materialien zu bestimmen. Genau vermessene Materialien ermöglichten die Konstruktion möglichst farbfehlerfreier Linsenfernrohre; ich hatte das Problem der Farbfehler in Wie baut man große Teleskope? angesprochen.

Bunsen kommt nach Heidelberg

Eine der wichtigsten Informationen, die in den Spektrallinien codiert ist, identifizierten ein halbes Jahrhundert später der Physiker Gustav Kirchhoff (1824–1887) und der Chemiker Robert Bunsen (1811–1899). Bunsen bekam, als er an die Universität Heidelberg berufen wurde, ein brandneues Institutsgebäude mit angeschlossenem Wohnhaus. (An dem Ensemble, heute Uni-Institut für Deutsch als Fremdsprachenphilologie, gelegen an der Plöck direkt am Friedrich-Ebert-Platz, radle ich typischerweise einmal pro Woche vorbei; die Fakultät für Chemie und Geowissenschaften in Heidelberg hat sogar einen Rundgang Sightseeing mit Bunsen zusammengestellt.) Das Institut war ausgerüstet mit modernster Technik, sprich: mit Gasbeleuchtung – die Stadt Heidelberg hatte gerade ihre Straßenbeleuchtung entsprechend umgestellt und die Universität ließ eine Leitung in das neue chemische Institut legen.

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Gasbrenner, Abb. 5 auf Tafel 1 in Bunsen & Roscoe 1857

Auch Gaskocher zum Erhitzen von Flüssigkeiten hatte das neue Institut, aber das Gebäude war noch gar nicht vollständig fertig, als Bunsen bereits den Instrumentenbauer Peter Desaga beauftragte, durch geeignete Luftzufuhr einen heißen, rußfreien Brenner mit fast durchsichtiger Flamme herzustellen, den er für seine Versuche verwenden wollte. Unter dem Namen Bunsenbrenner ist das entsprechende Gerät heute in allen chemischen Laboratorien im Einsatz. (Näheres zur Geschichte, inklusive Vorläufer und Patentstreitigkeiten, bietet Jensen 2005.)

Über Bunsen waren etliche Anekdoten im Umlauf (Jensen 2013): Wie er eine Stubenfliege, die ihren Rüssel in eine von ihm mühsam filtrierte Substanz gesteckt hatte, erjagt, vorsichtig getötet, die gestohlenen 0,1 Milligramm mit geeigneten Methoden aus dem Fliegenleichnam zurückgewonnen und der zu analysierenden Menge wieder zugeführt hatte. Wie eine erste Verlobung, damals noch in Marburg, daran gescheitert war, dass sich Bunsen nach dem erfolgreichen Heiratsantrag erst einmal für ein paar Wochen dringend in sein Labor zurückziehen musste und den Heiratsantrag mangels verlässlicher Erinnerung sicherheitshalber noch einmal stellte – das zweite Mal allerdings erfolglos.

Und es gab, wie es sich für einen richtigen Chemiker der damaligen Zeit offenbar gehörte, Verletzungen und Nahtoderfahrungen: bei der Explosion der unangenehmen und hochgefährlichen Substanz Kakodyl (riecht offenbar dem Namen entsprechend), mit deren Erforschung sich der junge Bunsen einen Namen gemacht hatte, oder als ihm später bei einem Besuch in England während der Untersuchung von Fabrikabgasen jene Abgase beinahe zum Verhängnis wurden.

Kirchhoff

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Kirchhoff (links) und Bunsen (rechts) ca. 1850. Bild gemeinfrei via Wikimedia Commons

Zwei Jahre später kam auch der 13 Jahre jüngere Physiker Gustav Kirchhoff nach Heidelberg, mit dem sich Bunsen bereits bei beider voriger Wirkungsstätte in Breslau angefreundet hatte.

Ich habe zur genauen Ausprägung der Freundschaft auf die Schnelle kein genaueres Material gefunden; offenbar konnte man das ungleiche Paar aber unter anderem bei gemeinsamen Wanderungen in den Wäldern auf und um den Königstuhl antreffen.

Für die Wissenschaft ist wichtiger, dass die beiden auch intensiv  gemeinsam forschten – und dabei spielte ihre fachliche Ungleichheit, hie Kirchhoff als Physiker, da Bunsen als Chemiker, eine entscheidende Rolle.

Linien und chemische Elemente

In Bunsens Laboren wurde in alle Richtungen eifrig experimentiert: Man jagte elektrischen Strom durch Substanzen, bestrahlte sie mit allen erdenklichen Arten von Licht, wog, mischte, schied ab, ließ reagieren. Bei der Lektüre des Artikels Bunsen & Roscoe 1857 auf der Suche nach einer Abbildung des Bunsenbrenners beispielsweise hatte ich den Eindruck, als ob die Forscher ob der vielen interessanten Möglichkeiten gar nicht gewusst hätten, was sie denn nun zuerst machen sollten. So ähnlich stelle ich mir dieser Tage die Forschung zu Crispr/CAS vor. Aufbruchstimmung.

Zu den vielen Arten und Weisen, chemische Stoffe zu traktieren und das Resultat zu dokumentieren, gehörte bei Bunsen auch die Spektralanalyse von Licht, das diese Stoffe aussenden, wenn sie mit einem Bunsenbrenner oder z.B. auch einem elektrischen Überschlagsfunken zum Leuchten angeregt werden. Nach einigen Versuchen mit Farbfiltern, um die Helligkeit von Flammen verschiedener Stoffe in verschiedenen Farbbereichen näher zu untersuchen, lag es ja auch recht nahe, ein Prisma zu verwenden, um die Farben fein säuberlich nach Art eines Regenbogens voneinander zu trennen.

Hier sieht man den entsprechenden Aufbau: Eine an einem Stäbchen in die Flamme des Brenners D gehaltene Probe, deren Licht über das Spaltrohr B auf das Prisma F geleitet wird; das Spektrum kann mit dem Fernrohr C beobachtet werden:

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Abbildung aus Kirchhoff und Bunsen: „Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen“ in Annalen der Physik und Chemie, Bd. 110 No. 6, 1860, S. 161-189. Neu herausgegeben von Gabriele Dörflinger, Universitätsbibliothek Heidelberg

Bunsen und Kirchhoff fanden heraus, dass die hellen Spektrallinien, die man unter diesen Bedingungen sah, direkt und eindeutig den verschiedenen chemischen Elementen zugeordnet werden konnten.

Das war nicht nur eine Vermutung, sondern ein Schluss, den die beiden aus einer Vielzahl von Versuchen zogen, bei denen sie die Temperatur der Flamme, die Masse der kleinen Probenstückchen und noch eine Reihe anderer Parameter verändert hatten. Die Intensität des Linienmusters, die relative Helligkeit der Linien, das hing in der Tat von den Randbedingungen ab. Aber das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Linien an je einer ganz bestimmten Position hing nur von einem Umstand ab: welches chemische Element da (mit) im Spiel war. An bestimmten Positionen traten zum Beispiel nur dann helle Linien auf, wenn Natrium im Spiel war, für andere Positionen musste Kalium vorhanden sein, und so weiter.

Im Umkehrschluss hieß das: Offenbar konnte man die Anwesenheit chemischer Elemente auf diese Weise zuverlässig nachweisen!

„…und dann noch 7300 Kästen Mineralwasser, bitte“

Spannend wurde es, als Kirchhoff und Bunsen dann Spektrallinien fanden, die sie keinem bekannten chemischen Element zuordnen konnten. Sie postulierten auf dieser Basis zwei neue chemische Elemente; eines, das (neben vielen anderen) ungewöhnliche rote Spektrallinien aufweist, nannten sie „Rubidium“, und eines mit auffälligen blauen Linien nach dem lateinischen Wort für Himmelblau, „Cäsium“.

Die entsprechende Forschungsarbeit, beschrieben in Kirchhoff und Bunsen 1861, ist ein schönes Zusammenspiel von Physik und Chemie. Die Physik liefert die Spektrallinien, erstmals in einer Probe Bad Dürkheimer Mineralwasser, für Cäsium bereits dort, für Rubidium erst in sächsischem Lepidolith in vollem Umfang erkennbar. Anfangs sind die neuen Spektrallinien nur einige unter vielen; ansonsten sind da noch Linien von Natrium, Kalium, Lithium, Calcium, Strontium zu sehen.

Um zu zeigen, dass da tatsächlich ein neues Element im Spiel ist, macht Bunsen Chemie: auf geeignete Weise – mit Alkohol, kohlensaurem Ammoniak und so weiter – werden soweit wie möglich alle bekannten Stoffe aus dem Mineralwasser entfernt. Ganz bekommt er Natrium, Kalium und Lithium nicht weg, aber deren Linien kennt er ja. Ach ja: damals haben Chemiker übrigens noch klassische Autoren im lateinischen Original zitiert, hier der entsprechende Ausschnitt aus Kirchhoff und Bunsen 1861, S. 338:

screen-shot-2016-12-29-at-12-47-41Aber als richtigem Chemiker reichte Bunsen der Nachweis auf neue Art natürlich nicht aus. Er verkochte stattdessen 44000 Kilogramm des Bad Dürkheimer Mineralwassers, extrahierte aus dem bestehenden Salz die bereits bekannten Stoffe und hatte am Ende tatsächlich einige Gramm des neuen Elements zur Verfügung, um dessen chemische Eigenschaften zu untersuchen.

Beim Rubidium waren es immerhin nur 150 Kilogramm des Minerals Lepidolith, die auseinandergefieselt werden mussten – eine Kette von Analyseschritten, jeweils überprüft mit dem Spektroskop: Wurden die neuen Linien nach einem bestimmten Prozess stärker oder sogar schwächer?

Wichtig war, dass die Spektroskopie die Anwesenheit der Elemente verraten hatte, obwohl diese mit herkömmlichen chemischen Methoden nur mit großem Aufwand isoliert werden konnten. Mit solchermaßen beeindruckender Nachweisempfindlichkeit wurde die Spektralanalyse bald ein unverzichtbares Instrument im Inventar der Chemie. Bunsen selbst soll noch im Alter die sündhaft teuren kubanischen Zigarren, die er regelmäßig von einem Heidelberger Tabakhändler erstand, auf diese Weise auf den Gehalt an Lithium geprüft haben, der die richtige Herkunft bestätigte.

Und ja, auch bei der Spektralanalyse gab es einen heute so gut wie vergessenen Fast-Vor-Entdecker, David Alter aus Pennsylvania [siehe Retcofsky 2003], der zumindest eine Zuordnung von Spektrallinien zu Metallen getroffen hatte – allerdings ohne die sorgfältige chemische Überprüfung und den Nachweis, dass diese unter unterschiedlichsten physikalischen Bedingungen gleich bleiben, die sich aus der Zusammenarbeit von Kirchhoff und Bunsen ergaben. Ich habe zur Frage der Priorität und dazu, welche Aspekte für die Wissenschaft am wichtigsten sind, vor ein paar Tagen hier gebloggt.

Physik vs. Chemie

Wo Bunsen in den diversen trickreichen chemischen Verfahren aufgegangen sein dürfte, mit denen sich die neue Analysemethode testen ließ, interessierte sich Gustav Kirchhoff als Physiker vor allem für die allgemeineren Eigenschaften der Strahlung und ihrer Erzeugung – der physikalischen Seite der Medaille eben: nicht die Muster von Spektrallinien, anhand derer sich chemische Stoffe unterscheiden, sondern die Gemeinsamkeiten solcher Stoffe bei der Absorption und Emission von Strahlung. (Prägnanter lässt sich das unterschiedliche Vorgehen von Chemie und Physik kaum zusammenfassen!)

Kirchhoff fand insbesondere heraus (Kirchhoff 1860), dass das Absorptions- und Emissionsvermögen eines Körpers sich entsprechen: Ein Objekt, das besonders viel Licht absorbieren kann emittiert bei einer gegebenen Temperatur auch besonders viel Licht. Und das gilt in jedem separaten Wellenlängenbereich für sich, für jede mögliche Wellenlänge. Glas beispielsweise, so eines von Kirchhoffs Beispielen, absorbiert zumindest im sichtbaren Bereich kaum Licht (und ist daher durchsichtig); wird es erhitzt, strahlt es umgekehrt kaum Licht ab – verglichen z.B. mit einem Metall der gleichen Temperatur.

Helle und dunkle Linien

Wenn Stoffe das, was sie besonders gut emittieren, auch besonders gut absorbieren, und wenn die Strahlungsleistung insgesamt von der Temperatur abhängt, dann bieten sich genau die Versuche an, die Bunsen und Kirchhoff anschließend durchführten: Zu sehen, wie das Licht unterschiedlicher Stoffe von denselben oder von anderen Stoffen absorbiert wird.

Auf diese Weise kann man auch scharfe dunkle Linien vor hellem Hintergrund erzeugen. Dazu muss man lediglich ein kühleres Gas vor eine heißere Flamme halten – z.B. einen in eine Alkoholflamme gehaltenen chemischen Stoff vor dem Hintergrund eines Drummond-Lichts betrachten (letzteres besonders hell und damit gerne als Rampenlicht im Theater genutzt; im englischen Begriff „limelight“ klingt das heute noch nach). Jeder enge Wellenlängenbereich, bei der ein Stoff besonders viel Licht aussendet, wenn er z.B. erhitzt wird, kann auch umgekehrt als dunkle Linie auftreten: als Wellenlängenbereich, wo der Stoff besonders viel Licht absorbiert.

Und wieder machten sich Bunsen und Kirchhoff daran, nicht gleich zu verallgemeinern. Erst wiesen sie für alle ihnen bekannten Linien nach, dass sich diese unter geeigneten Bedingungen auch umkehren ließen – von hell zu dunkel.

Die Chemie von Sonne und Sternen

Dass Bunsen und Kirchhoff die Sonne mit ihrem hellen Licht als Vergleichs-Hintergrundlicht nahmen, liegt nahe. Siehe oben: Die Grundstimmung im Bunsen’schen Labor scheint gewesen zu sein, dass alles mit allem verglichen, alle machbaren Versuche durchgeführt wurden. Und nicht zuletzt ließen sich die Fraunhoferlinien im Zusammenhang mit Spektrallinien ähnlich nutzen wie bei Fraunhofer selbst: Als festes Muster, relativ zu dem sich die Position anderer Spektrallinien beschreiben lässt.

Es konnte unter diesen Voraussetzungen insofern gar nicht anders kommen, als dass es Kirchhoff, dass es zwischen den dunklen Fraunhoferlinien und den hellen Emissionslinien verschiedener Stoffe direkte, exakte Korrespondenzen gibt. (Auch hier gibt es wieder eine Vor-Beobachtung; Fraunhofer hatte bereits gesehen, dass zwei helle Linien einer Kerzenflamme – Kirchhoff und Bunsen haben sie als Natrium-Linien identifiziert – zwei dunklen Linien im Sonnenspektrum entsprechen.) Kirchhoff geht auf Basis der Spektralanalyse noch einen wichtigen Schritt weiter (Kirchhoff 1860):

screen-shot-2017-01-02-at-18-29-31Und genau solche Schlüsse über die stoffliche Beschaffenheit treffen Bunsen und Kirchhoff denn auch: Natrium ist vorhanden, Kalium auch, Lithium dagegen nicht (oder nur unterhalb der Nachweisgrenze). In der folgenden Abbildung ist oben das Sonnenspektrum mit den Fraunhoferlinien zu sehen, darunter die Emissionslinien verschiedener Elemente:

Spektrallinien in Emission und Absorption in verschiedenen Spektren

Kirchhoff und Bunsen: „Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen“ in Annalen der Physik und Chemie, Bd. 110 No. 6, 1860, S. 161-189. Neu herausgegeben von Gabriele Dörflinger, Universitätatsbibliothek Heidelberg

Auch hier gab es eine Vor-Entdeckung oder Vor-Vermutung, in diesem Falle von George Stokes, aus den dunklen Linien im Sonnenspektrum könne vielleicht einmal auf die chemische Zusammensetzung der Sonne geschlossen werden. Aber Kirchhoff und Bunsen äußern eben nicht nur eine Vermutung, sondern stellen diesen Zusammenhang mit vielfacher experimenteller Absicherung her. (Entsprechend argumentiert auch Kirchhoff 1863 in dem sicher auch als Antwort auf entsprechende Anwürfe gedachten „Zur Geschichte der Spectral-Analyse und der Analyse der Sonnenatmosphäre“.)

Kirchhoff erstellt seitenweise Listen mit Linien der unterschiedlichsten Elemente, die er auch im Sonnenspektrum findet, und schätzt sogar die Wahrscheinlichkeit für eine zufällige Übereinstimmung ab; aus heutiger Sicht ein durchaus modernes Vorgehen (Kirchhoff 1861). Damit ist die Astrochemie offiziell eröffnet.

Zitat zum Schluss

Der Philosoph Auguste Comte, Begründer zum einen des Positivismus, zum anderen der Soziologie, hatte noch 1835 in seinem Cours de philosophie positive über die Himmelskörper geschrieben (hier die richtige Seite):

Wir können uns Möglichkeiten vorstellen, [die] Formen, Distanzen, Größen und Bewegungen [der Himmelskörper] festzustellen; wir werden aber niemals auf irgendeine Weise ihre chemische Zusammensetzung, mineralogische Struktur und erst recht nicht die Natur von [Organismen] vorstellen können, die auf ihrer Oberfläche leben etc.

Eine angesichts dessen, was Bunsen und Kirchhoff in den 1860er Jahren herausfanden, falsche Aussage, die seither genüsslich in diesem Zusammenhang zitiert wird – und damit ungleich viel bekannter geworden ist eine ganze Reihe von vernünftigen weiteren Aussagen zur Astronomie in jenem Buch.

Aus heutiger Sicht waren die Arbeiten von Bunsen und Kirchhoff eine Initialzündung. Aus Spektren schließen Astronomen auch heute noch auf die Anwesenheit chemischer Elemente in Sternen, Gas- und Staubwolken, Planetenatmosphären. Aber dazu und zu den weiteren Entwicklungen in einem späteren Beitrag mehr.

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

    • Spektrallinien gibt es da leider nicht – unsere Oberfläche ist nun einmal ein komplexes Gebilde aus mehr oder weniger locker gebundenen Festkörpern, da bekommt man nur ein kontinuierliches Spektrum. Unterschiede in der Wärmestrahlung gibt es selbstverständlich – entsprechend den underschiedlichen Temperaturen der verschiedenen Körperteile.

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