Atomspektrum
Eine Neonlampe sendet keinen kontinuierlichen Regenbogen von Farben aus. Stattdessen emittieren ihre Atome Licht bei bestimmten Wellenlängen, wenn Elektronen quantisierte Übergänge zwischen erlaubten Energieniveaus vollziehen. Ein USB-Spektrometer zerlegt das Licht der Lampe nach Wellenlänge, sodass diese diskreten Emissionslinien direkt sichtbar werden und mit dem bekannten Atomspektrum von Neon verglichen werden können.
Was Sie sehen
Die vier ausgerichteten Darstellungen zeigen denselben Wellenlängenbereich von 450–700 nm. Oben ist das vollständige sichtbare Spektrum dargestellt. Darunter zeigt das Livebild des Spektrometers, dass die Neonlampe nur bestimmte Wellenlängen aussendet. Die nächste Darstellung extrahiert diese erkannten Wellenlängen als einzelne Linien, und die letzte zeigt zum direkten Vergleich die bekannten starken Neon-Emissionslinien des NIST.
Helle NIST-Referenzlinien wurden während der Validierung vom Spektrometer beobachtet. Blasse Linien sind zusätzliche NIST-Linien, die nicht beobachtet wurden. Der Grund dafür ist, dass nicht jede Referenzlinie nachweisbar ist: Die Bedingungen in der Lampe sowie die Empfindlichkeit und Auflösung (2–3 nm) des Spektrometers begrenzen, welche Linien erkannt werden können.
Sie können beobachten, dass Linien erscheinen oder verschwinden, besonders bei höherer Nachweisempfindlichkeit. Das liegt daran, dass die Rohdaten des Detektors Rauschen enthalten, das das gemessene Signal einer Linie über oder unter die Nachweisschwelle verschieben kann.
Sichtbares Spektrum
Live-Spektrometerbild
Erkannte Spektralmerkmale
Starke Ne-I-Referenzlinien des NIST
Was ist hier quantenphysikalisch?
Neon ist ein Edelgas mit der Ordnungszahl 10: Ein neutrales Neonatom besitzt 10 Protonen in seinem Kern und 10 Elektronen in seiner Umgebung. In der Lampe beschleunigt eine elektrische Entladung freie Elektronen, die mit Neonatomen zusammenstoßen und genügend Energie übertragen können, um eines ihrer Elektronen auf ein höheres, angeregtes Energieniveau zu bringen. Diese angeregten Zustände sind vorübergehend. Nach den Regeln der Quantenmechanik kann das Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehren, und wenn dies geschieht, sendet das Atom ein Photon aus, dessen Energie genau der Differenz zwischen den beiden Niveaus entspricht.
Da die Energie eines Photons seine Wellenlänge bestimmt, erzeugt jeder Übergang Licht mit einer bestimmten Wellenlänge. Neon besitzt viele mögliche Übergänge, sodass sein Licht viele einzelne Spektrallinien enthält und nicht ein kontinuierliches Farbspektrum.
Das Spektrometer trennt dieses Licht nach Wellenlänge und projiziert es auf einen Kamerasensor, auf dem unterschiedliche Wellenlängen an unterschiedlichen Positionen erscheinen. Aus diesem Live-Detektorbild ermittelt das Experiment die von der Neonlampe erzeugten Spektrallinien. Ihr charakteristisches Muster ist eine direkt beobachtbare Folge der quantisierten Energiestruktur von Neonatomen.
Über den Aufbau
- Standort
- Bladel, Niederlande
- Status
- Verbunden
- Spektrometer
- Thunder Optics Mini USB Spectrometer
- Lichtquelle
- Schiefer T14×30 Neon-Entladungslampe
- Verwendeter Wellenlängenbereich
- 450–700 nm
- Ungefähre spektrale Auflösung
- 2–3 nm