03: Dunkle Linien im Sonnenspektrum und die Entdeckung des Heliums

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Der deutsche Optiker und Physiker Joseph von Fraunhofer (1787-1826), der zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Glasherstellung perfektionierte, war zu seiner Zeit für seine Linsen und Prismen bekannt, die als die weltweit besten zählten. Besonders gefragt waren seine Fernrohre. Um die Qualität dieser Gläser zu prüfen und immer weiter zu verbessern, führte Fraunhofer viele optische Experimente durch.

So war es also auch nichts Besonderes, als er im Jahr 1814 seinen Raum abdunkelte und Sonnenlicht durch einen schmalen Spalt im Vorhang auf ein Prisma fallen ließ. Das Licht wurde in dem Glas je nach Wellenlänge (also Farbe) unterschiedlich stark gebrochen und in sein gesamtes Spektrum, die Farben des Regenbogens, aufgefächert. Doch als der Optiker diesen Regenbogen durch ein Fernrohr genauer betrachtete, fiel ihm auf, dass er kein durchgängiges Farbband sah, wie er erwartet hatte. Stattdessen war es von schwarzen Linien durchbrochen. Diese Linien werden heute Fraunhoferlinien oder Spektrallinien genannt.

Ein Ölgemälde von Rudolf Wimmer aus dem Jahr 1905. Es zeigt Joseph von Fraunhofer mit einem Prisma in der Hand neben seinem Spektralapparat.

Daraufhin vermaß und zählte Fraunhofer die dunklen Linien akribisch – es waren ganze 574 Linien. Aus Zeitmangel konnte er sich jedoch nicht länger mit der Frage beschäftigen, warum sie überhaupt im Spektrum der Sonne auftauchten.

“Bei allen meinen Versuchen durfte ich, aus Mangel an Zeit, hauptsächlich nur auf das Rücksicht nehmen, was auf praktische Optik Bezug zu haben schien, und das Übrige entweder gar nicht berühren oder nicht weiter verfolgen. Da der hier mit physisch-optischen Versuchen eingeschlagene Weg zu interessanten Ergebnissen führen zu können scheint, so wäre es sehr zu wünschen, dass ihm geübte Naturforscher Aufmerksamkeit schenken möchten.”

Schlussbemerkung aus Fraunhofers ‘Bestimmung des Brechungs- und Farbzerstreuungsvermögens verschiedener Glasarten’

Dieses Rätsel konnte erst in den 1850er-Jahren gelöst werden, als die Chemiker Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff folgendes bereits bekanntes Phänomen untersuchten: Schüttet man Salz in eine Flamme, verfärbt sich ihr Licht. Handelt es sich beispielsweise um Natriumchlorid (also stinknormales Kochsalz), wird sie orange, bei Kaliumchlorid hingegen violett. Bunsen und Kirchhoff lenkten dieses Licht nun auf ein Prisma, um es zu brechen. Um als Beispiel erneut Natrium herzunehmen: Sein Spektrum war kein durchgängiges orangefarbenes Farbband, sondern bestand im gelben Bereich aus zwei Linien – an exakt derselben Stelle, an der sich im Sonnenspektrum gar nichts befand.

Der Spektralapparat von Fraunhofer

Bunsen und Kirchhoff folgerten daraus, dass die Elemente Licht in bestimmten Wellenlängen nicht nur Licht abgeben, sondern auch absorbieren können. Wenn sich auf der Sonne also etwas Natrium befindet, schluckt es das Licht in bestimmten Teilen des gelben Bereichs des Spektrums also und in diesen Wellenlängen kommt das Sonnenlicht nicht bei uns an. So entstehen die Fraunhoferlinien.

Je weiter außen die Bahn eines Elektrons um den Atomkern ist, desto mehr Energie hat das Elektron. Wenn es also von einer äußeren Bahn auf eine innere Bahn wechselt, wird Energie freigesetzt – in Form eines Photons (gewissermaßen ein Lichtteilchen) mit genau dieser Energie. Wenn es hingegen von einer inneren Bahn auf eine äußere wechselt, benötigt es Energie und absorbiert ein Photon mit genau dieser Energie. Bei Atomen von unterschiedlichen Elementen sind diese Energiedifferenzen zwischen äußeren und inneren Bahnen unterschiedlich, außerdem ist die Energie eines Photons umso größer, je höher seine Frequenz und damit je niedriger seine Wellenlänge ist. Dadurch absorbiert jedes Element auf der Sonne das Licht in einer anderen Wellenlänge und diese für die einzelnen Elemente typischen Spektrallinien entstehen.

Als die Spektrallinien genauer untersucht wurden, konnte also erstmals herausgefunden werden, welche Elemente es auf der Sonne gibt. Es handelte sich fast ausschließlich um Elemente, die man auch von der Erde kannte. Ende Oktober 1868 jedoch trafen zwei Briefe fast gleichzeitig in der Pariser Akademie ein, in denen etwas anderes berichtet wurde: Sowohl John Lockyer als auch Pierre Jules Janssen berichteten von einer bislang unbekannten Linie im gelben Bereich, direkt neben den beiden Natriumlinien. Diese wurde anfangs als „neue D-Linie“ und später, analog zu den Natriumlinien D1 und D2 als D3-Linie bezeichnet.

Es folgten viele Mutmaßungen, worum es sich bei der rätselhaften D-Linie handeln konnte. War sie eine Natriumlinie, die aufgrund des Doppler-Effektes etwas verschoben wurde? Oder eine Wasserstofflinie, die sich wegen der außergewöhnlichen Temperatur- und Druckverhältnisse auf der Sonne änderte? Lockyer untersuchte schließlich, wie sich Fraunhoferlinien durch Druck und Temperatur verändern, konnte dabei aber die D3-Linie nicht erklären. Daher kam er zu dem Schluss, es müsse sich um ein neues Element handeln. Nach dem griechischen Sonnengott Helios nannte er dieses unbekannte Element „Helium“.

In den 1890er-Jahren entdeckte der Chemiker William Ramsay im Labor eine ganze Reihe bis dahin unbekannter Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften. Darunter befand sich auch das Helium, das nun erstmals direkt nachgewiesen konnte und mehr als eine rätselhafte Spektrallinie war. Die von Ramsay entdeckten Elemente werden heute als „Edelgase“ bezeichnet, da sie nicht mit anderen Stoffen reagieren. (Dafür sind sie einfach viel zu edel.) Der Schotte erhielt für die Entdeckung von Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon 1904 den Chemie-Nobelpreis.

Von wem Helium nun wirklich entdeckt wurde, ist bis heute umstritten. Der erste, der die seltsame D3-Linie beobachtete, war Pierre Jules Janssen. Der erste, der dahinter ein neues Element vermutete und auch den Namen „Helium“ prägte, war John Lockyer. Der erste, der Helium direkt nachweisen konnte, war William Ramsay.

Doch wie sinnvoll ist diese Diskussion, wer als Entdecker von Helium gelten sollte, eigentlich? Auch als Ramsay 1904 den Nobelpreis unter anderem für die Entdeckung von Helium erhalten hat, haben Lockyer und Janssen ihm das nicht streitig gemacht. Anerkennungen wie diese waren ihnen nie wichtig. Und ich denke, genau das gehört auch zu den Dingen, die großartige Forscher ausmachen. Denn wenn jemand sich mit Naturwissenschaften beschäftigt, in der Absicht, ein großartiger Wissenschaftler zu werden, dann ist er in meinen Augen schon daran gescheitert. Die wirklich großen Wissenschaftler forschen aufgrund ihrer Neugier, nicht aus Drang zur Anerkennung.

Quellen: