Diese Applikationsbeschreibung zeigt mittels aufgenommener Spektren, wie die verschiedenen Farben in Feuerwerkskörpern erzeugt werden. Spektralexperimente an Feuerwerkskörpern kommen bei Schüler*inenn und Student*innen besonders gut an, weil sie als »cool« empfunden werden. Dadurch erreicht man eine hohe Akzeptanz in Praktika, während die Lernenden gleichzeitig viel über Emissionslinien atomaren Ursprungs oder Molekülbanden lernen.

Emissionslinien atomaren Ursprungs zeigen sich normalerweise als schmale Peaks im Spektrum. Dies liegt an den physikalischen Eigenschaften der atomaren Übergänge, denn Atome haben klar definierte, diskrete Energieniveaus. Die Übergänge zwischen diesen Niveaus führen zu Emissionen bei spezifischen Wellenlängen, was für schmale, gut definierte Linien im Spektrum sorgt. Obwohl die Linien durch Effekte wie Feinstruktur (z. B. Spin-Bahn-Kopplung) aufgespalten werden können, bleiben sie im Spektrum aber in der Regel sehr schmal und gut unterscheidbar. Beispiele in Feuerwerksspektren sind die Emissionslinien von Kalium und Natrium.

Es gibt allerdings auch physikalische Prozesse, welche diese schmalen Linien dennoch verbreitern können. Durch die thermische Bewegung der Atome in einer heißen Feuerwerksflamme kann es zu einer leichten Verbreiterung der Linien kommen. Atome, die sich auf die beobachtende Person oder Kamera zu oder von ihr weg bewegen, erzeugen eine Blau- bzw. Rotverschiebung, die die Linie ebenfalls verbreitert. Kollisionen zwischen Atomen oder Molekülen in der dichten Flamme führen zu einer weiteren Verbreiterung der Emissionslinien. In einer Feuerwerksflamme, die aus einem komplexen Plasma besteht, können zudem hohe Dichten weitere Verbreiterungseffekte verursachen.

Letzendlich hängt die Breite der aufgenommenen Emissionslinien aber auch von der Auflösung des verwendeten Spektrometers ab, die u. a. durch die verwendete Spaltgröße und die Qualität der optischen Komponenten beeinflusst wird. Ein Spektrometer mit geringer Auflösung kann selbst schmale Linien verbreitern und zu eng benachbarte Linien nicht sauber auflösen.

Moleküle besitzen hingegen zusätzlich zu den elektronischen Übergängen rotierende und vibrierende Zustände. Diese führen zu Bandenspektren, die breite und komplexe Strukturen aufweisen. Beispiele sind die charakteristischen breiten grünen Emissionen von Bariumchlorid oder die bläulichen Emissionen von Kupferhalogeniden.

Aufnahme der Spektren

Genutzt wurde für die Aufnahme der Spektren eines unserer DIY-Spektrometer mit Lichtleiter-Einkopplung und folgenden Daten:

• Anordnung: Czerny-Turner
• Brenweite: 150 mm
• Spaltgröße: 10 µm
• Gitter: 300 lp/mm
• Detektor: Zeilenkamera e9u-LSMD-1304-STD mit 3648 Pixel
• Auflösung: 0,17 nm/Pixel

Für unsere Messungen wurde Tischfeuerwerk der Kategorie F1 genutzt, und zwar Fontänen mit den Brennfarben Rot, Grün, Blau, Gelb, Violett und jeweils einer Brenndauer von bis zu 60 Sekunden. Diese wurden im Freien mit Hilfe einer stabilen Klemme fixiert und der Lichtleiter zum Spektrometer wurde in einer Entfernung von etwa 2 cm vor der Austrittsöffnung der Fontänen positioniert. Ein über den Lichtleiter gestülptes passendes Reagenzglas schützte diesen, so dass der Lichtleiter durch den Boden des Reagenzglases auf die Flamme der Fontäne blickte.

Beim Experimentieren mit Feuerwerkskörpern ist unbedingt auf die Einhaltung aller nötigen Sicherheitsvorkehrungen zu achten. Messungen können zwar ohne Probleme mit Tischfeuerwerk der Kategorie F1 durchgeführt werden, das im ganzen Jahr bezogen und verwendet werden kann. Trotzdem kann es auch hierdurch bei leichtsinnigem Umgang zu schweren Verletzungen oder Schäden kommen.

Durch die Dynamik der abbrennenden Flammen ist es schwierig, ein stabiles Signal für eine gezielte Einzelbelichtung zu erhalten. Daher wurde eine Serie von mehreren Aufnahmen hintereinander gemacht, aus welcher dann eine passende Aufnahme für den Vergleich der einzelnen Farben selektiert wurde.

Es empfiehlt sich zudem die Verwendung von preiswerten Lichtleitern (z. B. TosLink), denn abbrennende Feuerwerkskörper entwickeln oft ein unberechenbares Eigenleben und die Hitzeentwicklung von Feuerwerks-Fontänen ist selbst in einer Entfernung von einigen Zentimetern bei längeren Brenndauern nicht zu unterschätzen.

Die gezeigten Spektren stellen die Rohdaten des Spektrometers dar, bei denen keine spektralen Korrekturen der gemessenen Intensitäten vorgenommen wurden. Daher lässt sich die Höhe der Peaks im Spektrum nicht direkt mit den sichtbaren Intensitäten der jeweiligen Farben gleichsetzen. Dafür müssten sowohl die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges als auch die des im Spektrometer verwendeten Sensors berücksichtigt werden. Für das Verständnis der Entstehung von Feuerwerksfarben ist dies jedoch nicht erforderlich.

In den aufgenommenen Spektren sind die theoretischen Lagen der Zentralwellenlänge von Emissionspeaks atomaren Urprungs eingezeichnet. Bei Emissionsbanden, die von Molekülen stammen, sind die Kantenlagen verzeichnet, wobei sich die Bande selbst dann entweder in den langwellige oder den kurzwelligen Bereich erstreckt. Die verwendeten Werte stammen sowohl aus der NIST-Datenbank für atomare Spektren als auch aus dem Standardwerk »The Identification of Molecular Spectra«.

Kramida, A., Ralchenko, Y., Reader, J., & NIST ASD Team. (2023). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.10). [Online].
Available: https://physics.nist.gov/asd [Accessed: January 21, 2025]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.

Pearse, R. W. B., and A. G. Gaydon. The Identification of Molecular Spectra. 4th ed., Chapman and Hall, 1976.

Herzberg, G.: Molecular Spectra and Molecular Structure I: Spectra of Diatomic Molecules (1950).

Gelbe Fontäne

Im Spektrum der gelben Fontäne dominiert die Natrium-D-Linie bei ca. 589,3 nm, die für ihre charakteristische gelb-orange Farbe bekannt ist. Diese resultiert aus Elektronensprüngen im Natriumatom, genauer durch den Übergang vom angeregten Zustand 3p in den Grundzustand 3s.

Die Natrium-D-Linie besteht eigentlich aus zwei eng benachbarten Spektrallinien, die durch Feinstrukturaufspaltung infolge der Spin-Bahn-Kopplung des Elektrons entstehen: aus der D1-Linie bei 589,6 nm und der D2-Linie bei 589,0 nm. Dieser kleine Abstand zwischen den Linien kann vom verwendeten Spektrometer aber nicht aufgelöst werden, so dass nur eine einzige Linie detektiert wird.

Die Natrium-D-Linie erscheint in nahezu allen aufgenommenen Spektren von Feuerwerken, selbst wenn keine natriumhaltigen Verbindungen gezielt hinzugefügt wurden. Natrium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste und daher oft als Verunreinigung in den verwendeten Materialien wie Pyrotechnik-Chemikalien, Bindemitteln, Papier, Klebstoffen oder Metallsalzen enthalten.

Zudem ist die Natrium-D-Linie extrem stark und auffällig, weil der Übergang zwischen den Zuständen 3p und 3s eine sehr hohe Übergangswahrscheinlichkeit hat. Selbst kleinste Mengen Natrium können daher eine sichtbare gelbe Linie im Spektrum erzeugen. Auch die Anregungsenergie für Natrium ist mit etwa 2,1 eV relativ niedrig, so dass bereits geringe Temperaturen oder geringe Mengen an Energie in der Flamme ausreichen, um Natriumatome zu ionisieren und ihre charakteristische Emission zu erzeugen. Selbst wenn andere Elemente ebenfalls im Feuerwerk vorhanden sind, wird die gelbe Linie deshalb oft deutlicher sichtbar sein.

Weiterhin finden sich im Spektrum noch Linien von Kalium bei ca. 766,5 nm und 769,9 nm. Dies ist nicht verwunderlich, da ein wesentlicher Bestandteil von Feuerwerkskörpern Kaliumchlorat oder Kaliumperchlorat ist. Wie man es von Emissionslinien atomaren Ursprungs erwarten würde, sind die entsprechenden Peaks sehr schmal. Die Kalium-Linien tragen aber nicht zur Farbgebung der Flamme bei, da diese außerhalb des Wellenlängenbereichs liegen den unser Auge erfasst (von Violett bei 400 nm bis Rot bei ca. 750 nm).

Schließlich gibt es noch eine Reihe an Linien im grünen Spektralbereich, die von Bariumsalzen stammen. Die Farbe der gelben Fontäne entsteht hier also durch geschickte Kombination von Gelb-Orange und Grün in passenden Intensitäten.

Grüne Fontäne

Im aufgenommenen Spektrum erkennt man zunächst wieder bei ca. 766,5 nm und 769,9 nm die typischen Emissionslinien von atomarem Kalium. Auch die Natrium-D-Linie ist natürlich wieder im Spektrum enthalten, hier aber nicht mehr so dominant wie bei der gelben Fontäne.

Die grüne Farbe der Fontäne stammt allerdings von einer Reihe an typischen Bariumlinien im Bereich von 505 nm und 555 nm, die vom Molekül BaCl stammen.

Interessanterweise finden sich im Spektrum auch Linien geringerer Intensität, die vermutlich von CaCl stammen. Entweder wurde dieses absichtlich hinzugefügt, um der grünen Farbe der Fontäne eine leichte ziegelrote bis orangerote Note hinzuzufügen, oder es ist eine Verunreinigung aus dem Herstellungsprozess der ansonsten verwendeten Chemikalien.

Blaue Fontäne

Das aufgenommene Spektrum des blauen Feuerwerkskörpers zeigt im Bereich von 420 nm bis 510 nm Peaks, die charakteristisch für die Emission von Kupferatomen und Kupferverbindungen sind. Kupferverbindungen wie z. B. Kupfer(I)-chlorid, aber teilweise auch Kupfer(II)-chlorid oder Kupfersulfat werden in blauen Feuerwerkskörpern verwendet, da sie intensive und stabile blaue Farben erzeugen.

Kupferlinien sind gut sichtbar, da Kupfer eine hohe Neigung zur Emission hat, wenn es angeregt wird. Die Intensität der Linien hängt stark von der Temperatur der Flamme ab, da höhere Temperaturen zu stärkeren Anregungen der Elektronen führen. Blau ist in der Pyrotechnik besonders schwer zu erzeugen, da die blaue Farbe empfindlich auf die Temperatur der Flamme reagiert. Zu hohe Temperaturen führen dazu, dass das blaue Licht von Kupfer durch andere Farben (z. B. grün von Kupfer(II)-oxid oder orange von Verbrennungsprodukten) überstrahlt wird. Daher ist die präzise Kontrolle der Zusammensetzung und Brenntemperatur des Feuerwerks wichtig, um die blaue Farbe stabil und rein darzustellen.

Die im Spektrum angegebenen theoretischen Werte stammen aus präzisen Messungen von CuCl-Spektren. Abweichungen der beobachteten Werte können durch die Temperatur im Feuerwerk, Druckbedingungen oder Doppler-Verschiebung verursacht werden.

Rote Fontäne

Im Spektrum der roten Fontäne dominieren eine Vielzahl an Banden, die von Strontiumsalzen stammen. Anders als bei Barium oder Kupfer, die oft klarere und weniger überlappende Linien zeigen, besitzt Strontium eine Vielzahl von Energieniveaus, die zu den beobachteten Banden führen.

In der Legende sind nur einige der theoretischen Lagen der beobachteten Banden vermerkt. Strontium hat eine recht komplexe Struktur der Elektronenhülle, die zu vielen Übergängen führt. Diese Vielzahl an Übergängen erschweren eine eindeutige Zuordnung der Linien. Außerdem können in einem Feuerwerk verschiedene chemische Verbindungen und Begleitstoffe enthalten sein, die das Spektrum weiter verkomplizieren.

Violette Fontäne

Die violette Farbe einer entsprechenden Fontäne ensteht schließich durch Kombination von roten Banden aus Strontiumsalzen mit blauen Emissionen durch Kupfersalze.