Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Marsspektroskopie 2026

a) Erklären Sie allgemein die Entstehung der in Material 1 dargestellten Linienspektren bei angeregten Atomen in einem Gas mithilfe der Betrachtung von Energieniveaus.

Lösung: Jedes Atom verfügt im Modell über diskrete Energieniveaus. Die Atome von angeregten Gasen befinden sich in höheren energetischen Zuständen. Beim Übergang aus diesen höheren Zuständen in niedrigere energetische Zustände, z. B. in den Grundzustand, kann das Atom (bei strahlenden Übergängen) die freiwerdende Energie in Form von einem Photon der Energie, die der Energiedifferenz der beiden Zustände entspricht, emittieren. Daher sind in den Spektren Spektrallinien zu beobachten, die den einzelnen Übergängen im Energieniveauschema zugeordnet werden können.

b) Nennen Sie eine der in Material 2 gegebenen Fragestellungen, die auf Basis spektraler Aufnahmen, wie in Material 1 abgebildet, untersucht werden könnte. Begründen Sie Ihre Wahl.

Lösung: Unter anderem könnte Fragestellung ① mit dem LIBS-Instrument untersucht werden. Begründung: Die von dem gasförmigen Mars-Gestein ausgehende Lichtemission wird in dem LIBS-Instrument spektroskopisch analysiert. Die Maxima in diesen Spektren entsprechen Wellenlängen, bei denen von der Probe verstärkt Photonen ausgesendet werden (hohe Intensität). Da für jedes Element sowohl diese Wellenlängen als auch die relative Intensität bekannt sind (siehe z. B. Formelsammlung), können Aussagen über die im Mars-Gestein enthaltenen Elemente getroffen werden. Folglich könnten auch für die Industrie interessante Rohstoffe identifiziert werden. Alternativ: Auch Fragestellung ③ könnte untersucht werden, mit ähnlicher Argumentation wie bei Fragestellung ①. Fragestellung ② kann nicht beantwortet werden (weil nur derzeitig vorkommende Stoffe analysiert werden können).

c) Ein Schüler betrachtet die Spektren in Material 1 und behauptet: „Aufgrund der Spektren kann ich schlussfolgern, dass sich in dem untersuchten Mars-Gestein vermutlich Natrium und auch Helium befinden“. Analysieren Sie die Aussage hinsichtlich ihrer Korrektheit. Berücksichtigen Sie dazu Wellenlängen und Intensitäten der Spektrallinien.

Lösung: Der Formelsammlung kann entnommen werden, dass Natrium bei den Wellenlängen 589,00 nm und 589,59 nm zwei Spektrallinien mit den relativen Intensitäten 80000 und 40000 besitzt. Im Spektrum liegt eine hohe Intensität bei etwa 590 nm vor. Aufgrund der Breite von mehreren Nanometern könnte es sich um die beiden Natrium-Spektrallinien handeln und folglich Natrium in der Probe enthalten sein. Da aber auch Helium bei 587,56 nm eine Spektrallinie aufweist und die Wellenlängen im Spektrum nur auf 5–10 nm genau abgelesen werden können, könnte diese Spektrallinie auch auf Helium zurückzuführen sein. Da allerdings dann auch bei 447,15 nm und 706,52 nm Spektrallinien mit etwa 40 % der Intensität bei 587,56 nm vorliegen müssten, und diese in dieser Intensität nicht vorkommen, ist Helium eher auszuschließen. Die Aussage ist somit nur zum Teil als korrekt anzusehen.