Zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatte Napoleon Bonaparte die Grenzen in Europa neu gezogen und, um diese Umverteilung zu dokumentieren, eine eigene Behörde gegründet – das topografische Büro in Paris. Dessen Landvermesser waren auf hochgenaue optische Geräte angewiesen: auf Theodolite, Teleskope und Sextanten. Und die kamen damals aus Bayern, von der Glashütte Benediktbeuern, wo der Optiker Joseph Fraunhofer forschte. Einfache Linsen für solche Instrumente wiesen jedoch üblicherweise Fehler auf: Sie legten einen farbigen Rand um die betrachteten Objekte. Das ließ sich nur durch eine zweite Linse aus einer anderen Glassorte korrigieren. Solche "achromatischen Objektive" waren zwar sehr begehrt, aber sie ließen sich nicht leicht herstellen, wie Fraunhofer schrieb:
"Man hatte bisher die achromatischen Objective nicht völlig nach bestimmten theoretischen Grundsätzen verfertiget, und musste sich innerhalb gewisser Gränzen auf einen günstigen Zufall verlassen, weshalb man eine grössere Anzahl Gläser schliff, und diejenigen zusammensuchte, bey welchen sich die Fehler am nächsten compensirten."
Fraunhofer arbeitete in Benediktbeuern daran, die Qualität des Glases mit einer einfachen und verlässlichen Methode zu bestimmen, um die Herstellung der Linsen zu verbessern. Eine Beobachtung am 10. März 1814 brachte den Forscher auf die richtige Spur. Er hatte den Lichtstrahl einer Lampe durch ein Glasprisma fallen lassen, um ihn in seine farblichen Bestandteile zu zerlegen. Fraunhofer beobachtete einen intensiven gelben Lichtstreifen. Als er den Versuch mit Sonnenlicht wiederholte, erlebte er allerdings eine Überraschung:
"Ich wollte suchen, ob im Farbenbilde von Sonnenlichte ein ähnlich heller Streif zu sehen sei, wie im Farbenbilde vom Lampenlichte, und fand anstatt desselben fast unzählig viele starke und schwache vertikale Linien, die aber dunkler sind als der übrige Theil des Farbenbildes; einige scheinen fast ganz Schwarz zu seyn."
Das Sonnenspektrum mit den benannten Linien© Fraunhofer
Die natürliche Skala des Lichts
Deuten konnte Fraunhofer dieses Phänomen nicht. Aber schon bald begriff er, dass die dunklen Streifen eine Eigenschaft des Sonnenlichtes selbst waren und nicht etwa durch das Glas hervorgerufen wurden. Dem Licht war förmlich eine natürliche Skala aufgeprägt. Und diese Skala nutzte Fraunhofer nun ganz pragmatisch aus, um die Brechkraft zweier Linsen miteinander zu vergleichen und so das Material zu verbessern. Der britische Optiker und Lehrbuchautor Henry Coddington schrieb im Jahr 1829 anerkennend:
"Diese spektralen Unterbrechungen, die Professor Fraunhofer aus München beobachtet und als die festen Linien des Spektrums bezeichnet hat, bilden eine der wichtigsten Entdeckungen im gesamten Bereich der optischen Wissenschaft."
Die Ursache der dunklen Linien erkannten allerdings erst die beiden Naturforscher Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff gut ein halbes Jahrhundert später. Bei Experimenten mit Alkalimetallen hatten sie herausgefunden, dass eine ganze Reihe von chemischen Elementen in der Atmosphäre der Sonne die Linien erzeugt. Mit seiner Entdeckung hatte Fraunhofer die Grundlage der Spektralanalyse geschaffen, erklärt Stephan Schlemmer, Professor für Physik an der Universität Köln:
"Und dieses Phänomen wird heutzutage auch benutzt, indem man nicht nach Alkalimetallen schaut, sondern nach Molekülen, die Botenstoffe sind, die einem aus weiten Fernen im Universum Informationen zur Erde bringen, wie zum Beispiel Temperatur, Dichte, chemische Zusammensetzung von Molekülwolken – an irgendeinem Ort im Universum."
Aber nicht nur über weit entfernte Himmelskörper geben die Linien Aufschluss, sondern auch über kleinste Bausteine des Universums. Im Atom kann man sich die Energiestufen der Elektronen als Kugelschalen vorstellen, die den Kern einhüllen.
Stephan Schlemmer: "Wenn das Elektron weiter von seinem Kern entfernt ist im Atom, dann bewegt es sich auf einer anderen Schale. Und der Übergang zwischen den verschiedenen Schalen in dem Atom gibt genau ein Licht ganz bestimmter Farbe, was mit den Fraunhofer-Linien in Zusammenhang gebracht werden kann."
Auch wenn Joseph Fraunhofer das niemals hätte ahnen können: Mit seiner Beobachtung der dunklen Linien war er einer der ersten Menschen, die einen Blick in den inneren Aufbau der Materie geworfen hatten.