Spektralanalyse

Zur Beobachtung des Spektrums dienen die verschiedenen Arten der Spektroskope. Im Bunsenschen Spektroskop (Fig. 1) steht ein Flintglasprisma P, dessen brechender Winkel 60° beträgt, mit vertikaler brechender Kante und in der Stellung der kleinsten Ablenkung auf einem gußeisernen Stativ.

1 u. 2. Bunsens Spektroskop.

Gegen das Prisma sind drei horizontale Röhren A, B und C gerichtet. Die erste (A), das Spaltrohr oder der Kollimator, trägt an ihrem dem Prisma zugekehrten Ende eine Linse a (Fig. 2), in deren Brennpunkt sich ein vertikaler Spalt i befindet, der vermittelst einer in Fig. 1 sichtbaren Schraube enger oder weiter gestellt werden kann; die von einem Punkte des erleuchteten Spaltes ausgehenden Lichtstrahlen werden durch die Linse a, weil sie aus deren Brennpunkt kommen, mit der Achse des Rohres A parallel gemacht, treffen, nachdem sie durch das Prisma abgelenkt worden, ebenfalls unter sich parallel auf die Objektivlinse b des Fernrohrs B und werden durch diese in ihrer Brennebene r v in dem Punkte r vereinigt. Sind die durch den Spalt einfallenden Strahlen homogen rot, so entsteht bei r ein schmales rotes Bild des vertikalen Spaltes; gehen aber auch violette Strahlen von dem Spalt aus, so werden diese durch das Prisma stärker abgelenkt und erzeugen ein violettes Spaltbild bei v. Dringt weißes Licht, das sich bekanntlich (s. Dispersion) aus unzählig vielen verschiedenfarbigen und verschieden brechbaren Strahlenarten zusammensetzt, durch den Spalt ein, so legen sich die unzählig vielen entsprechenden Spaltbilder in ununterbrochener Reihenfolge nebeneinander und bilden in der Brennebene des Objektivs ein vollständiges Spektrum r v, das nun durch das Okular o wie mit einer Lupe betrachtet wird. Im Spektrum des Sonnen- oder des Tageslichts (s. Tafel II) gewahrt man mit großer Schärfe die Fraunhoferschen Linien (s. Dispersion). Um das Spektrum mit einer Skala vergleichen zu können, trägt ein drittes Rohr C (das Skalenrohr) an seinem äußern Ende bei s eine kleine photographierte Skala mit durchsichtigen Teilstrichen, an seinem innern Ende dagegen eine Linse c, die um ihre Brennweite von der Skala entfernt ist. Durch eine Lampenflamme wird die Skala erleuchtet. Die von einem Punkte der Skala ausgehenden Strahlen, durch die Linse c parallel gemacht, werden an der Oberfläche des Prismas auf die Objektivlinse b des Fernrohrs reflektiert und von dieser in dem entsprechenden Punkt ihrer Brennebene vereinigt. Durch das Okular schauend, erblickt man daher gleichzeitig mit dem Spektrum ein scharfes Bild der Skala, das sich an jenes wie ein Maßstab anlegt. Die Skala ist willkürlich festgestellt. Eine von Willkür freie Skala müßte nach den Wellenlängen der verschiedenfarbigen Strahlen eingeteilt sein. Da aber die Wellenlängen für die Fraunhoferschen Linien bekannt sind, so kann man für jedes Spektroskop mit willkürlicher Skala leicht eine Tabelle oder eine Zeichnung entwerfen, aus der für jeden Teilstrich die zugehörige Wellenlänge abgelesen werden kann. Um genauere Messungen ausführen zu können, wird häufig an Stelle des Skalenrohrs C in der Brennebene des Fernrohrs B ein Fadenmikrometer mit einem beweglichen Faden, der dem Spalt parallel gestellt wird, angebracht. Die Größe der Bewegung dieses Fadens wird durch die Trommel der Mikrometerschraube angegeben, deren Teilwert durch Ausmessung der Fraunhoferschen Linien ermittelt wird. Auch ist häufig das Fernrohr B selbst, das dann einen festen Faden in seiner Brennebene hat, mittels einer Mikrometerschraube um das Prisma P drehbar. Die Größe der Drehung, die der Entfernung der betreffenden Teile des Spektrums entspricht, wird an einem feingeteilten Kreis abgelesen, der mit der Unterlagplatte des Prismas P fest verbunden ist.

3 u. 4. Vergleichsprisma.

Bei Zöllners Reversionsspektroskop werden zwei entgegengesetzt liegende, durch zwei verdrehbare Prismen erzeugte Spektren aneinander vorbeigeschoben. Als Index dienen die Linien des einen Spektrums.

Die unmittelbare Vergleichung zweier Spektren verschiedener Lichtquellen wird durch das Vergleichsprisma (Fig. 3) ermöglicht, ein kleines gleichseitiges Prisma a b (c d f in Fig. 4), das, indem es die untere Hälfte des Spaltes m n verdeckt, in diese kein Licht der vor dem Spalt aufgestellten Lichtquelle F (Fig. 1), wohl aber durch totale Reflexion auf dem Wege L r s t (Fig. 4) das Licht der seitlich aufgestellten Lichtquelle L (f, Fig. 1) eindringen läßt. Man erblickt alsdann im Gesichtsfeld unmittelbar übereinander die Spektren beider Lichtquellen. Läßt man Tageslicht auf das Vergleichsprisma fallen, so können die Fraunhoferschen Linien seines Spektrums gleichsam als Teilstriche einer Skala dienen.

Wegen der Ablenkung, die das Prisma hervorbringt, bilden Spaltrohr und Fernrohr des Bunsenschen Spektroskops einen dieser Ablenkung entsprechenden Winkel miteinander, und die Visierlinie des Instruments ist geknickt. Durch passende Zusammensetzung von Flint- und Crownglasprismen kann man aber sogen. geradsichtige Prismenkombinationen (à vision directe) herstellen, durch welche die Ablenkung der Strahlen, nicht aber die Farbenzerstreuung aufgehoben wird, und mit ihrer Hilfe geradsichtige Spektroskope konstruieren, welche die Lichtquelle direkt anzuvisieren erlauben.

5. Brownings Taschenspektroskop.

Ein solches ist das in Fig. 5 in natürlicher Größe dargestellte Browningsche Taschenspektroskop; s ist der Spalt, C die Kollimatorlinse, p der aus 3 Flint- und 4 Crownglasprismen, die mittels Kanadabalsams aneinander gekittet sind, zusammengesetzte Prismenkörper und O die Öffnung fürs Auge.

6. Spektralapparat mit automatischer Einstellung der Prismen und Rückkehr der Strahlen.

Um für spektralanalytische Untersuchungen ein möglichst weit auseinander gezogenes Farbenband zu erhalten, wendet man mehrere Prismen an, und zwar wächst die Größe der Zerstreuung mit der Anzahl der Prismen, mit dieser aber selbstredend auch der Preis des Apparats. Man kann nach Littrows Angabe die Wirkung eines jeden Prismas verdoppeln, wenn man die Strahlen mittels Spiegelung durch dieselbe Prismenreihe wieder zurücksendet; dabei werden die Prismen unter sich und mit dem Beobachtungsfernrohr durch einen Mechanismus derart verbunden, daß sie sich, wenn das Fernrohr auf irgend eine Stelle des Spektrums gerichtet wird, von selbst (automatisch) auf die kleinste Ablenkung für die betreffende Farbe einstellen.

7. Schröders Protuberanzenspektroskop.

Bei dem Spektralapparat mit automatischer Einstellung der Prismen und Rückkehr der Strahlen (Fig. 6) fallen die Strahlen aus dem Spaltrohr S auf das Prisma P₁, werden durch dieses nach P₂, von dort nach P₃ gebrochen und gelangen dann zu dem Reflexionsprisma R, das sie durch zweimalige totale Reflexion zwingt, die Prismen P₁, P₂, P₃, die sie bisher in der obern Hälfte durchlaufen hatten, nunmehr in der untern Hälfte zurückzulegen. Sie fallen dann auf das kleinere Reflexionsprisma r und gelangen durch Spiegelung an dessen Hypothenusenfläche in das Beobachtungsfernrohr F, das um die halbe Höhe der Prismen tiefer liegt als das Spaltrohr S. Das Reflexionsprisma R, das in der Abbildung auf dem Träger R₃ sitzt, kann aber auch auf den Trägern R₁ und R₂ befestigt werden, so daß man mit demselben Apparat ein Spektrum bei einer Zerstreuung durch 2, 4 oder 6 Prismen beobachten kann. Das Fernrohr F ist mit einem Mikrometer t zur genauen Messung kleinerer Abstände im Spektrum versehen, während größere Abstände mit der Schraube p und der Skala z bestimmt werden. In ähnlicher Weise hat Schröder ein geradsichtiges Spektroskop konstruiert, das besonders zur Beobachtung der Sonnenprotuberanzen benutzt wird (Fig. 7). Der zu untersuchende Lichtstrahl tritt bei S durch den Spalt in den Apparat ein, durchläuft, allmählich breiter werdend, die fünf Prismen und fällt parallel zu seiner ursprünglichen Richtung auf das gleichschenkelig-rechtwinklige Prisma P^I, aus dem er nach zweimaliger totaler Reflexion wieder austritt und nun den Prismensatz nochmals passiert. Das Prisma P^II bringt ihn dann wiederum durch zweimalige totale Reflexion in das Auge des Beobachters bei A.

Fig. 8 zeigt einen neuern, sehr lichtstarken, zur photographischen Aufnahme (auch des ultravioletten Spektrums) geeigneten Spektrographen von Steinheil in München, bei dem die optischen Teile, um Absorption der ultravioletten Strahlen zu vermindern, aus Quarz (eventuell Uviolglas) bestehen. S ist der Spalt, T B das Kollimatorrohr, T¹ das Objektiv und M die Visierscheibe. Zu den genauesten Untersuchungen dienen Gitterspektrographen, bei denen das Prisma durch ein Beugungsgitter ersetzt ist.

8. Großer Quarzspektroskop von Steinheil (München).

Die auflösende Kraft eines solchen Gitters ist um so größer, je größer die Gesamtzahl der Spalten und je höher die Ordnung des beobachteten Beugungsspektrums. Sie nimmt auch nach dem violetten Ende hin zu. Bei einem Gitter von 30,000 Spalten kann man im Spektrum zweiter Ordnung im Rotgelb noch zwei Spektrallinien voneinander trennen, deren Wellenlängen sich nur um 0,02*10-⁶ mm unterscheiden, d.h. die etwa ¹/₃₀ des Abstandes der beiden D-Linien haben. Bei den gewöhnlichen Beugungsgittern entsteht aber dabei die Schwierigkeit, daß die Spektren höherer Ordnung nur unvollständig sind. Schon bei 1000 Strichen auf den Millimeter ist nur das Spektrum erster Ordnung vollständig. Diese Schwierigkeit hat Michelson (1898) beseitigt durch Anwendung von Glasplattenstaffeln (s. Beugung) als Gitter (Stufen- oder Echelonspektroskop). Er stellte sich z.B. eine solche Staffel her aus 20 je 18 mm dicken Glasplatten, die so übereinander geschichtet wurden, daß jede Stufe eine Breite von 1 mm besaß. Die aus der Kollimatorlinse austretenden parallelen Strahlen treffen auf die Grundfläche der Treppe, deren Kanten dem Spalt parallel sind. Die Stufen wirken wie Gitterspalten von 1 mm Breite, die Wegdifferenzen der Strahlen sind aber wegen der verschiedenen Geschwindigkeit im Glas sehr viel größer als bei einem solchen einfachen Gitter, so daß Spektren sehr hoher Ordnung, d.h. kleine Bezirke derselben, beobachtet werden können.

Fabry und Pérot benutzten ihr Interferometer, bei dem die Haidinger-Lummerschen Interferenzringe in der Luftschicht zwischen zwei genau parallelen spiegelnden Glasplatten (ähnlich den Newtonschen Ringen, aber nicht infolge verschiedener Dicke, sondern verschiedener Neigung der Strahlen entstehend) beobachtet werden. Die ringförmigen Spektren höherer Ordnung werden genügend lichtstark durch mehrfache Reflexion der Strahlen, falls durch schwache Versilberung das Reflexionsvermögen des Glases erhöht wird.

9. Interferenzspektroskop von Lummer-Gehrcke.

Noch vollkommener wirkt das Interferenzspektroskop von Lummer-Gehrcke (Fig. 9), bei dem zwischen Prisma P und Fernrohr F eines Spektralapparates eine Glasplatte g von 5–10 mm Dicke eingeschoben wird, so daß die möglichst schief einfallenden Strahlen in dieser wiederholt reflektiert werden, wodurch ebenfalls Haidinger-Lummersche Ringe entstehen. S ist der Spalt, durch den die Lichtstrahlen in das Kollimatorrohr K gelangen, N ein Nicolsches Prisma, S₁ ein Diaphragma. Mittels der Schraube M kann das Prisma so gedreht werden, daß die gewünschte Farbe auf S₁ fällt. Die Glasplatte g muß vollkommen planparallel sein, da sonst Störungen eintreten; umgekehrt kann man deshalb den Apparat dazu benutzen, die Planparallelität von Glasplatten zu prüfen, indem man sie an Stelle von g bringt. Große Platten werden hierbei auf dem Gestell p r r befestigt.

10. Meyersteins Spektrometer.

Zur genauen Messung der Ablenkung der verschiedenen homogenen farbigen Strahlen eines durch ein Prisma oder Gitter entworfenen Spektrums benutzt man das Spektrometer, z.B. das Meyersteinsche (Fig. 10), das ähnlich eingerichtet ist wie das Bunsensche Spektroskop. Die Wirkungsweise der entsprechenden Teile ist die nämliche. Das Spaltrohr und das Fernrohr sind nach der Mitte des Tischchens gerichtet, auf dem das Prisma (oder das Gitter etc.) aufgestellt wird. Zwei geteilte Kreise, ein kleinerer und ein größerer, sind unabhängig voneinander um ihre vertikalen Achsen drehbar; der letztere dreht sich mit dem Fernrohr und gestattet, an den feststehenden Nonien die jeweilige Ablenkung der am Fadenkreuz des Fernrohrs erscheinenden Spektrallinie abzulesen, während der erstere, das Prisma tragende durch eine Klemme festgehalten wird. Läßt man dagegen den größern Kreis feststehen, während man durch das ebenfalls feststehende Fernrohr das an einer Prismenfläche gespiegelte Spaltbild anvisiert, und dreht nun den kleinern Kreis samt dem von ihm getragenen Prisma, bis das an der zweiten Prismenfläche gespiegelte Spaltbild am Fadenkreuz erscheint, so erfährt man aus der Drehung, die man am Nonius des kleinern Kreises abliest, den brechenden Winkel des Prismas; das Spektrometer spielt in diesem letztern Falle die Rolle eines Reflexionsgoniometers (s. Goniometer). Das Instrument liefert demnach bequem und sicher die beiden Daten, den brechenden Winkel und die kleinste Ablenkung, die zur Berechnung der Brechungsverhältnisse (s. Brechung des Lichtes) erforderlich sind.

11. Spektroskop von Zeiß (Jena).

Das von Zeiß in Jena zum Vergleich der Absorptionsspektren von Flüssigkeiten, Strahlenfiltern, Farbgläsern etc. konstruierte Spektroskop hat die Einrichtung des Mikrospektralokulars von Abbe. Man beobachtet durch die spaltförmige Öffnung C (Fig. 11), stellt durch Drehen an B die Okularlinse O (Fig. 12) auf größte Deutlichkeit der Spektrallinien ein und reguliert mittels A die Spaltbreite und mittels E die Lage des Spektrums zur Wellenlängenskala D. Das Spektroskop ist an einer von einem kräftigen Fuß getragenen Säule in vertikaler Lage so befestigt, daß man in dasselbe wie in ein Mikroskop hineinschauen kann, und es ist in der Höhe verstellbar und festklemmbar. Die zu vergleichenden Objekte werden nebeneinander auf den horizontalen Tisch F und über die von unten durch die beiden Spiegel beleuchteten Öffnungen gelegt. Die Überleitung der beiden Strahlenbündel auf den Spektroskopspalt S (Fig. 12) erfolgt durch die beiden Reflexionsprismen R₁ und R₂, so daß der Strahlengang im Spektroskop durch das Prisma P für beide Spektren vollkommen gleichartig ist. Die beiden Prismen sind mit aufgekitteten Linsen L₁ und L₂ versehen, deren Brennweite, im Glase gemessen, gleich ist dem Abstände der Linsen von dem Spalt. Hierdurch wird erreicht, daß in das Auge des Beobachters nur solche Strahlen gelangen, die das von planparallelen Flächen begrenzte Objekt als in sich parallel gerichtete Strahlenbündel senkrecht, bez. angenähert senkrecht durchdrungen haben. Um auch Flüssigkeiten in offenen Glaskuvetten oder in Reagenzgläsern untersuchen zu können, ist das Stativ zum Umlegen um G eingerichtet. Die Befestigung der Gefäße erfolgt hierbei durch die unter dem Tisch angebrachten Federn.

12. Gang der Lichtstrahlen im Spektroskop.

Fig. 12 zeigt zwei Flüssigkeitsgefäße, G₁ und G₂, die durch Aufkitten von Glasröhren auf eine ebene Glasplatte hergestellt sind und nach der Füllung durch eine Deckglasplatte geschlossen werden. Fig. 13 zeigt ein Flüssigkeitsgefäß, das die Decke der wirksamen Schicht während der Beobachtung und in jedem Augenblick, bis auf 0,05 mm genau meßbar, zwischen 0 und 20 mm zu verändern gestattet. Das Instrumentchen besteht aus den drei auseinander schraubbaren Teilen A, B, C.

13. Flüssigkeitsgefäß.

Das für die Aufnahme der Flüssigkeit bestimmte Gefäß wird gebildet durch die in A eingesetzte Glasröhre R und die in den Boden eingefügte Glasplatte P₂. Die an dem untern Ende des mit C verbundenen Metallhohlrohres angebrachte Glasplatte P₁ bewirkt die Begrenzung der wirksamen Schicht nach oben. Um das Gefäß zu füllen, wird der mit Luftloch L versehene Deckel C abgeschraubt und R bis zum Rande gefüllt. Man vermeide, mehr Flüssigkeit einzugießen, weil der oberhalb R befindliche Hohlraum des Rohres A für die Aufnahme der aus R (durch Eintauchen der Platte P₁) verdrängten Flüssigkeit bestimmt ist. Das Eintauchen der Platte P₁ erfolgt durch Drehen des Deckels C. Eine Umdrehung senkt die Platte um genau 1 mm. Die auf A angebrachte Millimeterteilung und die auf B angebrachte Trommelteilung zeigen die Dicke der wirksamen Schicht bis auf 0,05 mm genau an. Die Platte P₁ ist etwas tiefer gelegen als der untere Rand von B, so daß man stets durch die beiden gegenüberliegenden Fenster G zwischen P₁ und P₂ hindurchblicken kann. Wird der Abstand zwischen P₁ und P₂ vergrößert, so fließt die Flüssigkeit aus dem obern Teil von A sofort wieder nach. Die drei Füßchen von A passen in drei auf F (Fig. 1) angebrachte Einsenkungen, so daß das Gefäß sofort an seine richtige Stelle über eine der beiden Öffnungen des Tisches gebracht werden kann.