Absorption und Emission von Licht

Die Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung (Licht) sind zwei grundlegende Prozesse in der Physik. Sie spielen sich in den Atomen, die alle Materie bilden, ab. Dabei nimmt das Atom Energie auf (Absorption) oder gibt eben jene in Form von Strahlung ab (Emission).

Um diesen Prozess genauer zu verstehen, stellen wir uns das Atom als Kugel vor, um die sich Elektronen auf Bahnen im immer selben Abstand bewegen. Diese Bahnen nennt man in der Physik Schalen. Je nachdem, an welcher Stelle im Periodensystem das Atom steht, befinden sich mehr oder weniger Elektronen auf jeder Schale. Die Schalen werden von innen nach außen befüllt und mit Großbuchstaben, beginnend mit K, bennant.

Abb. 1: Darstellung zweier unterschiedlicher Atome. Um den Kern (blau) bewegen sich die Elektronen (rot) auf Schalen (K, L, M). Jede Schale kann nur eine bestimmte Menge an Elektronen aufnehmen, danach werden die überschüssigen Elektronen in die nächste Schale befüllt, solange bis genau so viele Elektronen in den Schalen wie Protonen im Kern sind. Bild © serlo

Trifft nun Licht mit einer bestimmten Energie auf das Atom, kann es ein Elektron von einer inneren Schale in eine höhere, äußere Schale anheben. Dabei gibt das Licht seine Energie an das Atom ganz oder in Teilen ab. Das Elektron verlässt nun seine Bahn und bewegt sich ab sofort auf einer anderen Bahn um den Kern des Atoms. Dieser Prozess wird Absorption genannt. Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) hat das einfallende Licht so viel Energie, dass das Elektron von dem Atom entfernt wird und nicht weiter gebunden ist.

Abb. 2: Für das Wasserstoffatom mit genau einem Proton und Elektron (a) ist hier der Prozess der Absorption (b) und die Emission (c) dargestellt. Bei der Absorption wird das Elektron durch z.B. Licht in eine höhere Schale angehoben. Das Elektron kann unter aussenden von Licht dann wieder zurück fallen. Bei hochenergetischer Strahlung wie z.B. Röntgenstrahlung kann das Elektron komplett aus dem Atom entfernt werden. Das nennt man dann Ionisation und passiert bei der RFA. Bild © serlo

Der umgekehrte Prozess, also wenn ein Elektron aus einer höheren Schale in eine tiefere fällt, wird Emission genannt. Dabei wird Energie frei, die in Form von Licht abgegeben wird. Dieser Prozess kann durch einfallendes Licht angeregt werden, oder spontan passieren. Fällt ein Elektron spontan in eine tiefere Schale, spricht man auch von Fluoreszenz.

Anstelle von Schalen wird in der Physik auch oft von Energieniveaus gesprochen. So hat jede Schale oder Energieniveau eine, mit genau diesem Niveau assoziierte Energie. Die Differenz zwischen den Energien zweier Niveaus ist exakt die Energie, die das Licht bei der Absorption abgeben muss und nach der Emission besitzt.

E = E_2 - E_1 = h\nu_2 - h\nu_1

Diese Energie ist element- und übergangsspezifisch, so dass sich für jedes Atom ein eigenes Emissions und Absorptionsspektrum (Fingerabdruck) bestimmen lassen. Die Spektren für Emission und Absorption sehen dabei gleich aus, nur dass bei der Absorptionslinien aus dem Spektrum fehlen und bei der Emission nur eben diese Linien zu beobachten sind.

Das spontane Emittieren von Licht (nach vorangegangener Absorption) wird auch Fluoreszenz genannt.