Monochromatisch

Monochromatisches Licht (von griechisch: mono-chromos: "eine Farbe") ist Strahlung einer genau definierten Wellenlänge. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Monochromatischen Wellen. Den Farbreiz monochromatischen Lichts bezeichnet man als Spektralfarbe.

Idealisiert hätten alle Photonen eines monochromatischen Lichtbündels die gleiche Wellenlänge. In der Natur trifft man jedoch niemals perfekt monochromatisches Licht an. Um einen Mittelwert herum besitzen die Photonen aus quantenphysikalischen Gründen eine gewisse Bandbreite an Wellenlängen.

Monochromatisches Licht kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden: Es kann aus polychromatischem Licht mit dessen spektraler Verteilung mittels eines Monochromators ausgefiltert werden. Andererseits können Geräte eingesetzt werden, die direkt aus den Atomemissionen Licht abgeben.

Monochromatoren

Prisma

Ein Prisma zerlegt Licht in Spektralfarben. Fällt Licht, mit einer geeigneten spektralen Verteilung (beispielsweise Tageslicht) durch ein Prisma, so werden Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen verschieden stark abgelenkt. Kurzwelliges (blaues) Licht wird stärker gebrochen als langwelliges (rotes) Licht. Da die Brechzahl des Glases von der Wellenlänge abhängt, tritt das Licht je nach Wellenlänge unter einem anderen Winkel aus dem Prisma aus.

Beugungsgitter

An Beugungsgittern, das sind feine Rillen oder Fäden bestimmter Dicke und bestimmten Abstandes, wird das einfallende Licht in alle Richtungen gebeugt. Durch Interferenz entsteht in geeigneten Beugungsrichtungen eine Addition der Strahlenbündel zu praktisch monochromatischem Licht.

Um monochromatische Röntgenstrahlung zu erreichen, können kristalline Festkörper genutzt werden. Die Beugung und Interferenz erfolgt hier an den einzelnen, regelmäßig angeordneten Atomen des Kristallgitters.

Optische Filter

Ein optisches Filter ist ein selektiv-transparentes Material, das nur für Licht bestimmter Wellenlängen durchsichtig ist und anderes Licht absorbiert. Mithilfe von Filtern, die in einem nur schmalen Wellenlängenbereich transparent sind, lässt sich annähernd monochromatisches Licht erzeugen. Solche Filter werden oft als Interferenzfilter realisiert. Hierbei wird das Prinzip der Newtonschen Ringe genutzt. Durch eine genau definierte Anordnung dünner Schichten lässt sich ausreichend monochromatisches Licht aus polychromatischem (weißem) Licht herausfiltern.

Spektrallinie

Atome oder Moleküle können aufgrund von Elektronenübergängen zwischen ihren Energieniveaus elektromagnetische Wellen Photonen abgeben. Die Energiedifferenz zwischen den beteiligten Niveaus bestimmt die Energie, und somit die Wellenlänge, der entstehenden Strahlung. Nach Planck gilt hierbei:

$E = \frac{h \cdot c}\lambda$

Die Energieniveaus sind gequantelt. Deshalb existiert nur eine endliche Anzahl von Übergängen, entsprechend sind nur wenige Wellenlängen vertreten. So entsteht bei der Emission ein Linienspektrum.

Ein Laser strahlt mit einer eng definierten Wellenlänge, die dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus entspricht. Laserlicht dieser Spektrallinie ist somit monochromatisches Licht.

Gasentladungslampen mit geringem Innendruck erzeugen ebenfalls ein Liniensprektrum. Die von der Gasfüllung abhängigen einzelnen Linien besitzen eine hohe Konstanz in der Lage und sind sehr schmal. Sie werden für die Erzeugung von monochromatischer Strahlung eingesetzt. Auf Grund der (von äußeren Einflüssen unabhängigen) Farbkonstanz werden solche Spektrallampen sogar als Wellenlängen-Normal genutzt.