Spektralanalyse 1859
Robert Bunsen (1811-1899) und Gustav Robert Kirchhoff (1824 - 1887)
Robert Wilhelm Bunsen wird am 30. März 1811 als jüngster von vier Söhnen des Professors und Bibliothekars Christian Bunsen und seiner Ehefrau Auguste Friederike in Göttingen geboren.
Nach dem Besuch von Volksschule und Gymnasium beginnt der mit einer außergewöhnlichen Beobachtungsgabe begnadete Robert im Alter von erst 17 Jahren an der Universität in Göttingen Chemie zu studieren. Daneben hört der naturwissenschaftlich interessierte junge Student auch Vorlesungen in Physik und Mathematik, Mineralogie und Geologie. Nur drei Jahre später promoviert Bunsen mit einer Arbeit über Hygrometer (Luftfeuchtigkeits-messer). Dank eines Stipendiums unternimmt er anschließend eine einjährige Bildungsreise nach Österreich, in die Schweiz sowie nach Frankreich und lernt dabei viele bedeutende Chemiker, wie etwa Justus Liebig, kennen.
Von der Studienreise zurückgekehrt, habilitiert er sich 1834 an der Göttinger Universität und beginnt, experimentell an der Löslichkeit von Metallsalzen der Arsensäure zu forschen. Dabei entdeckt er gemeinsam mit dem Mediziner Adolph Arnold Berthold, die Wirksamkeit von Eisenhydroxyd als Gegenmittel bei Arsenvergiftungen.
1836 wird Bunsen Lehrer an der Höheren Gewerbeschule in Kassel und erforscht dort die wegen ihres widerlichen Gestankes "Kakodyl" genannte, an der Luft leicht entzündliche organische Arsenverbindung. Bei einer Explosion im Labor wird sein rechtes Auge verletzt, was zu einer bleibenden Beeinträchtigung seiner Sehkraft führt.
Bunsen befasst sich in Kassel auch mit der thermischen Effizienz von Hochöfen und erkennt, dass die Analyse der bei der Schmelze anfallenden Gase Aufschluss über die ablaufenden chemischen Prozesse gibt. Er entdeckt, dass der Heizwert der Kohle nur zu einem geringen Teil genutzt wird und kann so die Feuerungstechnik verbessern.
Im Herbst 1839 beruft ihn die Universität Marburg zum Professor für Chemie. Die Studenten besuchen gerne seine Vorlesungen, nicht nur wegen seiner Lehrmethoden, sondern auch, weil er ihnen freundlich begegnet.
Um sein Labor mit einer preiswerten, aber dennoch leistungsstarken Stromquelle auszustatten, entwickelt Bunsen eine bereits von Christian Friedrich Schönbein konstruierte und von Sir William Grove verbesserte einfache Brennstoffzelle weiter, indem er die teure Platin-elektrode durch eine erheblich billigere Kohleelektrode ersetzt. Diese salpetersäurehaltige Zink-Kohle-Batterie, "Bunsenelement" genannt, liefert eine elektrische Spannung von etwa 1,9 V und ist bis zur Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips von Werner von Siemens die am meisten genutzte Stromquelle.
1850 wird Bunsen an die Universität Breslau berufen, wo er den 13 Jahre jüngeren Physiker Gustav Robert Kirchhoff kennenlernt.
Der am 12. März 1824, also vor 200 Jahren, im damals ostpreußischen Königsberg, dem heutigen Kaliningrad als jüngster der drei Söhne des Justizrates Carl Friedrich Kirchhoff und dessen Ehefrau Johanna geborene Gustav besucht das Kneiphöfische Gymnasium und studiert nach dem Abitur 1842 an der Königsberger Universität Mathematik und Physik. Ihn interessiert vor allem die Elektrizitätslehre.
Nachdem Carl Friedrich Gauß 1833 bei Experimenten entdeckte, dass zwischen Strömen, Spannungen und Widerständen in Stromkreisen Zusammenhänge bestehen, kann Kirchhoff 12 Jahre später als 21-jähriger Student dazu die Gesetze der Stromverzweigung (und Span-nungen) in elektrischen Netzwerken formulieren und sie 1845 in den Annalen für Physik und Chemie veröffentlichen. Mit diesen Kirchhoffschen Regeln lassen sich Ströme, Spannungen und Widerstände in elektrischen Schaltungen berechnen.
1848, nur ein Jahr nach seiner Promotion an der Albertus-Universität in Königsberg, habilitiert sich Kirchhoff in Berlin und wird bereits zwei Jahre später im Alter von nur 26 Jahren als außerordentlicher Professor an die Universität Breslau berufen, wo er Vorlesungen über Experimentalphysik hält. Als kurze Zeit später auch Robert Wilhelm Bunsen nach Breslau kommt, beginnt eine lebenslang währende Freundschaft der beiden Forscher.
Aber schon nach drei Semestern folgt Bunsen einem Ruf der Ruprecht-Karls-Universität in Heidelberg. Hier wird ihm nicht nur ein hohes Gehalt und im neuen chemischen Institut in der Akademiestraße ein modernes chemisches Laboratorium geboten, sondern gleich um die Ecke auch eine Dienstwohnung. Zwei Jahre später wechselt auch Kirchhoff nach Heidelberg, als ihm auf Empfehlung von Bunsen eine Physikprofessur angeboten wird.
In den folgenden Jahren forschen Kirchhoff und Bunsen gemeinsam und verfassen viele wissenschaftliche Schriften. Von großer Bedeutung sind Bunsens bereits zwanzig Jahre zuvor in Kassel begonnene Forschungen zur exakten Gasanalyse, die er in Heidelberg fortsetzt und 1857 in seinem Buch „Gasometrische Methoden“ veröffentlicht. Darin beschreibt er unter anderem Verfahren zur Bestimmung der Inhaltsstoffe von Gasen. Auf der Grundlage der von ihm entwickelten Gasanalyse können noch heute Vulkanausbrüche vorhergesagt werden.
In ihrer Freizeit unternehmen die beiden Freunde gemeinsame Spaziergänge und besuchen das Theater. Während Bunsen bis an sein Lebensende ledig bleibt, heiratet Kirchhoff im August 1857 Clara Richelot, die Tochter seines ehemaligen Königsberger Professors Friedrich Julius Richelot, mit der er fünf Kinder hat.
Ein buntes Feuerwerk am Heidelberger Schloss soll Bunsen dazu angeregt haben, die chemische Zusammensetzung der Salze zu analysieren, die bei Feuerwerkskörpern unter-schiedliche Leuchtfarben erzeugen.
Das sichtbare Licht entsteht in den Elektronenhüllen der Atome, wenn die Elektronen durch Energiezufuhr vorübergehend in einen Zustand höherer Energie versetzt werden. Wenn sie diesen angeregten Zustand wieder verlassen, strahlen sie die aufgenommene Energie in genau definierten Portionen als Photonen, also Lichtquanten einer ganz bestimmten, für die betreffende Atomsorte charakteristischen Wellenlänge wieder aus. Die verschiedenen Lichtwellenlängen nehmen wir als unterschiedliche Farben wahr. Natrium, das wir als Bestandteil des Natriumchlorid- oder Kochsalzmoleküls kennen, sendet gelbes Licht mit einer Wellenlänge von 590 nm aus; Bariumsalze leuchten grün, Kaliumsalze violett und Strontiumsalze rot.
Für seine Untersuchungen benötigt Bunsen einen Gasbrenner mit möglichst hoher Temperatur. Aber der mit einer Mischung aus Stadtgas und Sauerstoff betriebene Brenner von Michael Faraday lässt sich nicht genau regulieren. Daher konstruiert Bunsen nach mehreren Experimenten ein Ventil (Bunsenventil), mit dem die Luftzufuhr des Gasbrenners reguliert und eine rußfreie Flamme auch bei hohen Temperaturen erzeugt werden kann.
Der bis heute in jedem chemischen Labor verwendete "Bunsenbrenner" liefert eine Flamme mit geringer eigener Helligkeit, aber so hoher Temperatur, so dass Bunsen damit die Salze verdampfen und ihre unterschiedlichen Flammenfärbungen beobachten kann. Dennoch gelingt es ihm nicht, allein anhand der Flammenfarbe die einzelnen chemischen Elemente zu identifizieren. Da schlägt Kirchhoff vor, das Licht der Flamme mit Hilfe eines Prismas in seine farbigen Bestandteil zu zerlegen.
Im Stadtpalais „Haus zum Riesen“ in der Heidelberger Hauptstraße entwickeln beide den ersten Spektralapparat: Ein auf drei Beinen ruhender trapezförmiger Kasten A trägt die beiden Fernrohre B und C. Die Okularlinsen des Rohres B sind durch eine Platte mit einem in den Brennpunkt der Objektivlinse gestellten Spalt ersetzt. Die am gebogene Ende eines sehr feinen Platindrahtes befestigte Salzprobe wird von der Flamme des Bunsenbrenners zum Leuchten erhitzt und das Licht durch den Spalt auf ein zwischen den Objektiven der Fernrohre B und C angeordnetes Prisma gelenkt. Dabei wird das von den Atomen des Gases ausgesandte Licht wie bei einem Regenbogen in seine Einzelfarben zerlegt. Das auf einer Messingplatte ruhende Prisma ist um eine vertikale Achse drehbar. Darunter befindet sich ein Spiegel G. Durch ein auf den Spiegel gerichtetes Fernrohr ist das Spiegelbild einer in geringer Entfernung aufgestellten horizontalen Skala zu sehen. Durch Drehung des Prismas kann man das Spektrum der Flamme am Fernrohr C vorbeiführen und dabei die in den Spektren enthaltenen Linien messen.
Bei ihren Versuchen erkennen sie in den Spektren auch helle Linien vor einem dunklen Grund und beobachten, dass die von Joseph Fraunhofer 1814 gefundenen dunklen Absorptionslinien im Sonnenspektrum abhängig von der Intensität des jeweiligen Lichts entweder heller oder dunkler werden. Sie finden heraus, dass jedes chemische Element im Gaszustand Licht einer ganz bestimmten Wellenlängen ausstrahlt und in wenigen engen Farbbereichen charakteristische Spektrallinien auftreten. Wenn jedoch Licht kältere Gasmassen durch-dringt, verschlucken die Atome dort das für sie charakteristische Leuchten, und es entstehen die dunklen Fraunhofer-Linien.
Kirchhoffs Untersuchungen führen ihn zu der Erkenntnis, dass sich bei einem Strahl-ung absorbierenden Körper die Temperatur erhöht und damit auch seine Emission steigt, bis ein Strahlungsgleichgewicht erreicht wird, und er formuliert 1859 das nach ihm benannte Strahlungsgesetz. Danach hängt bei allen Körpern das Verhältnis zwischen ihrem Absorptions- und Emissionsvermögen nur von der Temperatur und Wellenlänge, nicht aber von den Materialeigenschaften ab. Demnach absorbiert jeder leuchtende Körper die Spektrallinien, die er auch emittiert.
Kirchhoff hat nicht nur die Erklärung für die Fraunhoferlinien gefunden, sondern auch erkannt, dass ihre Wellenlängen mit Emissionslinien bekannter chemischer Elemente über-einstimmen, was nun eine Analyse der Materie selbst Millionen Lichtjahre entfernter Himmelskörper nur durch das von ihnen ausgesandte Lichts ermöglicht.
Mit der Spektralanalyse schaffen Kirchhoff und Bunsen eines der noch heute wichtigsten Instrumente der Astronomie. Die sich vorher auf Beobachtung der Gestirne beschränkende Astronomie entwickelt sich mit der Spektralanalyse zur Astrophysik. Bunsen erkennt sogleich ihre weitreichende Bedeutung als er schreibt „Diese Untersuchungen verursachten uns schlaflose Nächte, denn die Methode kann die Zusammensetzung der Sonne und der Sterne mit der gleichen Zuverlässigkeit enthüllen, wie chemische Methoden dies für irdische Stoffe taten.“ Die Spektralanalyse bildet später die Grundlage der Atom- und Molekül-Theorie und führt zur Entwicklung der Quantenphysik.
1860 veröffentlichen Kirchhoff und Bunsen mit ihrem Buch „Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen“ die Grundlagen der Spektralanalyse. Darin ist auch das von ihnen entwickelte Spektrometer und die ersten aufgezeichneten Spektren abgebildet. Oben das Sonnenspektrum mit den Fraunhoferschen Linien, darunter die Spektren von Kalium, Natrium, Lithium, Strontium, Calcium und Barium.
Noch im gleichen Jahr beginnt Kirchhoff eine eingehende Analyse des Sonnenspektrums und folgert aus seiner Kenntnis der Strahlung von Körpern, dass die Sonne ein Feuerball mit einem extrem dichten und ca. 20 Millionen Grad heißen Kern ist. Bei diesen Untersuchungen werden seine Augen sehr in Mitleidenschaft gezogen.
Noch im gleichen Jahr beginnt Kirchhoff eine eingehende Analyse des Sonnenspektrums und folgert aus seiner Kenntnis der Strahlung von Körpern, dass die Sonne ein Feuerball mit einem extrem dichten und ca. 20 Millionen Grad heißen Kern ist. Bei diesen Untersuchungen werden seine Augen sehr in Mitleidenschaft gezogen.
Aber bald entdecken Bunsen und Kirchhoff mittels Spektralanalyse im Mineralwasser der neu erschlossenen Bad Dürkheimer Maxquelle zwei neue chemische Elemente: 1860 das Cäsium und im Jahr darauf das Rubidium. In das damals 60 Elemente umfassende Periodensystem kann Bunsen nun Cäsium und Rubidium mit Bleistift nachtragen und Kirchhoff auch ihre Spektren (oben das Sonnenspektrum, darunter die Spektren von Kalium und den neuen Elementen Rubidium und Caesium) veröffentlichen.
Mit der Spektralanalyse lassen sich nicht nur im Labor neue Elemente entdecken, sondern sogar in den Gashüllen der Sterne, wie etwa das Helium in der Sonne, das Kirchhoff 1868 im Sonnenspektrum nachweisen kann. Noch heute kann die Analyse der Spektren kosmischer Objekte Aufschluss geben über die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Druck. Aus der Verschiebung der in den Spektren enthaltenen Linien lässt sich sogar die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich die Objekte auf uns zu oder von uns weg bewegen.
1863 zieht Kirchhoff mit seiner Familie in das neuerbaute naturwissenschaftliche Institut der Universität Heidelberg und verbringt dort noch eine glückliche Zeit, bis er sich 1868 beim Sturz auf einer Treppe so sehr den Fuß verletzt, dass er eine Zeit lang einen Rollstuhl und noch fünf Jahre danach Krücken benötigt. Seine beliebten und stets gut besuchten Experimentalvorlesungen kann er nicht mehr halten und auch nicht mehr experimentieren. Daher widmet er sich nun ganz der theoretischen Physik.
Ein Jahr später stirbt seine Frau Clara im Alter von nur 35 Jahren an einer Lungenentzündung. Die zwei Söhne können bei ihm bleiben. Seine beiden kleinen Töchter kommen zu seiner Schwiegermutter nach Königsberg. Im Dezember 1872 heiratet Kirchhoff die in der Heidelberger Augenklinik arbeitende Oberin Luise Brömmel, die sich liebevoll um ihn kümmert.
Nach 21 Jahren geht Kirchhoffs fruchtbare Heidelberger Zeit zu Ende. Nachdem er bereits dreimal den Ruf anderer Universitäten abgelehnt hatte, entscheidet er sich Ende 1874 doch zum Wechsel nach Berlin und wird an der Universität der erste ordentliche Professor für theoretische Physik. Im April 1875 zieht er nach Berlin und nimmt gleich seine Vorlesungen auf. Zu seinen Studenten zählen unter anderen Heinrich Hertz und Max Planck. Aber ihm und seiner Frau fällt es schwer, sich an das Leben in der Großstadt zu gewöhnen und sie denken oft an Heidelberg.
Zwar heilt in Berlin seine Fußverletzung endlich aus, aber es geht ihm gesundheitlich dennoch bald immer schlechter, was er jedoch mit der ihm eigenen Heiterkeit überspielt. Auch wenn ihm die Vorlesungen weiterhin großer Freude bereiten, sind sie aber für ihn mit zunehmend größeren körperlichen Anstrengungen verbunden. Nach Schwächeanfällen unterbricht Kirchhoff 1884 auf ärztlichen Rat seine Vorlesungstätigkeit, nimmt sie aber zum im Wintersemester 1885/86 nochmals für kurze Zeit auf, bis ihn die durch einen Hirntumor ausgelösten Schwindel- und Fieberanfälle zwingen, seine Lehrtätigkeit zu beenden.
Nach geduldig ertragenem Leiden stirbt Gustav Robert Kirchhoff am Morgen des 17. Oktober 1887 im Alter von 63 Jahren und wird auf dem St.-Matthäus-Friedhof in Berlin-Schöneberg begraben. Sein Grab gibt es dort noch heute.
Bunsen bleibt in Heidelberg und unterrichtet auch weiterhin viele Studenten, deren praktische Ausbildung ihm am Herzen liegt. Sie schätzen die anschaulichen Vorlesungen ihres Professors sehr. Bunsen bietet jedes Semester eine Vorlesung über „Allgemeine Experimen-talchemie” an und verbindet dabei als einer der Ersten Lehre und Forschung. Das von einem Assistenten zur Vorlesung „Experimentelle Chemie“ angefertigte Manuskript aus dem Wintersemester 1879/1880 handelt von verschiedenen Flammenarten und deren Zusammensetzung sowie der Gasanalyse.
Erst im Alter von 78 Jahren lässt sich Bunsen zu Ostern 1889 emeritieren und zieht in die Luisenstraße 12, die 1893 in „Bunsenstraße” umbenannt wird. Nun kann er reisen, ausge-dehnte Spaziergänge in die Natur unternehmen und sich seinem Hobby, der Geologie, widmen.
Seinen Freund Kirchhoff überlebt er um 12 Jahre. Robert Bunsen stirbt am 16. August 1899 im Alter von 88 Jahren und wird auf dem Heidelberger Bergfriedhof beigesetzt. Das 1908 eingeweihte Denkmal vor dem Friedrichsbau in der Heidelberger Hauptstraße erinnert noch heute an den bedeutenden Chemiker.
Die interdisziplinäre Arbeitsweise des Physikers Kirchhoff und des Chemikers Bunsen legen den Grundstein dafür, dass sich Heidelberg zu einem der wichtigsten Zentrum für Naturwissenschaften, insbesondere für Astronomie mit einer Vielzahl an Forschungseinrichtungen entwickelt.
Das Max-Planck-Institut für Astronomie, das Haus der Astronomie, das Astronomische Rechenzentrum, die Landessternwarte auf dem Königsstuhl, aber auch das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL), das deutsche Krebsforschungszentrum oder das Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg ziehen Wissenschaftler aus der ganzen Welt an.
