AlsSpektrallinien oderResonanzlinien bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien einesSpektrums emittierter (Emissionslinien) oderabsorbierter (Absorptionslinien)elektromagnetischer Wellen, im engeren Sinne innerhalb desWellenlängenbereichs dessichtbaren Lichts (Lichtspektrum). Spektrallinien werden durchWellenlänge,Linienintensität undLinienbreite charakterisiert. Die Ursache der Spektrallinien sind die durch Licht angeregtenelektronischen Übergänge inAtomen oderMolekülen.
Die Namensgebung Spektrallinie geht historisch darauf zurück, dass in üblichenSpektrometern einEingangsspalt vorhanden ist, dessen Form sich auf dem Schirm oder im Auge des Betrachters abbildet. Der Name wurde später auch auf diePeaks (d. h. Maxima) in einem als Intensitätskurve aufgezeichneten Spektrum übertragen.
Spektrallinien treten bei der instrumentellenAtomspektroskopie (wie beispielsweiseKernresonanzspektroskopie) oder derFlammenfärbung auf. Sie werden unter anderem in derAstronomie zur Analyse dermolekularen Struktur von Sternen,Planeten undinterstellarer Materie verwendet, die sonst unmöglich wäre. Sie wurden bei derBrechung des Lichts der Sonne durch einPrisma im 19. Jahrhundert entdeckt, woraus sich dannSpektroskope entwickelten, mit denen ein weites Feld von Anwendungsmöglichkeiten für dieSpektralanalyse entstand.
Eine Spektrallinie ist dasLicht einer genau definiertenFrequenz, das von einem Atom oder Molekül aufgrund eines Übergangs aus einemEnergieniveau auf ein anderes abgegeben (emittiert) oder aufgenommen (absorbiert) wird. Die Frequenz wird durch dieEnergie des emittierten oder absorbiertenPhotons bestimmt; diese ist gleich dem Unterschied zwischen den Energien der beidenquantenmechanischen Zustände. Die Frequenz ist charakteristisch für diesen bestimmten Übergang in der gegebenen Atomsorte. Daher kann man durch Beobachtung von Spektrallinien Atomsorten unterscheiden.
EineEmissionslinie zeigt sich im Spektrum als helle Linie. Sie entsteht beim Übergang von einem höheren auf ein tieferesEnergieniveau, beispielsweise wenn ein Elektron von einemangeregten Zustand in denGrundzustand übergeht. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen (spontane Emission) oder, wie z. B. beimLaser, durch Licht passender Frequenz angeregt werden (stimulierte Emission).
Bei Einstrahlung von Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum (also einem Frequenzgemisch) ergibt sich durchResonanzabsorption von Photonen passender Frequenz eineAbsorptionslinie, indem ein Übergang von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau induziert wird – beispielsweise, wenn ein Elektron durch das Photon aus demValenzband in dasLeitungsband „gehoben“ wird (vgl.photoelektrischer Effekt).
Beim Rückfall in das niedrigere Energieniveau werden Photonenisotrop, d. h. in beliebige Richtungen, emittiert.
Beides führt dazu, dass das Licht vom durchstrahlten Stoff bei dieser Frequenz diffusgestreut wird. Sofern ausreichend viele absorbierende Atome vorhanden sind, kommt es dadurch zu
Das Licht einer Spektrallinie enthält nicht eine einzelne, scharf bestimmte Frequenz, sondern umfasst einen (schmalen) Frequenzbereich. DieHalbwertsbreite dieses Bereiches nennt manLinienbreite.Die Linienbreite einer Emissionslinie setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen:
Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durchWilliam Hyde Wollaston und 1814, unabhängig von ihm, durchJoseph von Fraunhofer im Spektrum derSonne. Diese dunklen Linien im Sonnenspektrum werden auchFraunhofersche Linien genannt.
Die Spektrallinien trugen neben anderen Effekten zur Entwicklung derQuantenmechanik bei. Ein in einem Atom gebundenesElektron könnte nach der klassischen Elektrodynamik elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenzen abstrahlen; die Existenz von diskreten Linien war klassisch nicht erklärbar. Die Entdeckung, dass die Frequenzen der Spektrallinien desWasserstoffatoms proportional zu einem Ausdruck der Form mit ganzen Zahlen und sind, führte zum Konzept derQuantenzahl und brachteNiels Bohr schließlich auf seinBohrsches Atommodell, das erste – heute überholte – quantenmechanische Atommodell.Die moderne Quantenmechanik kann die Spektrallinien der Atome mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen.
