P 35: Prismen erzeugen Spektren
Teil 2: Spektren, Strahlungsgesetze und Treibhauseffekt
Nicht alles hier ist abiturrelevant, aber die Berechnung von Spektren, von Wellenlängen und Intensitäten werden oft verlangt.
Die Strahlungsgesetze werden uns den historischen Weg zur Quantenmechanik beschreiten lassen und der Treibhauseffekt geht uns alle an!
3. Spektren
3.1 Erzeugung von Spektren durch Prismen
Aus der Mittelstufe, aber auch aus diesem Kurs kennt ihr eine grundlegende Möglichkeit zur Erzeugung von Spektren:
3.1.1 Spektren entstehen durch Brechung
Weißes Licht besteht aus Licht aller möglichen Wellenlängen (in der Regel 300 nm - 700 nm). Da die Stärke der Brechung (der Abbremsung) von der Wellenlänge abhängt, kann man die in weißem Licht enthaltenen Wellenlängen durch Brechung sortieren.
Das Farbband, das dann entsteht, nennt man ein Spektrum.
Hier ist nochmal unser Wissen über Brechung zusammengestellt:
Mag man nicht
Die zum Verständnis der Brechung wichtigste Regel kennt ihr schon: Wer blau ist, der bricht leichter...
Nur im Bereich des sichtbaren Lichtes (normale Dispersion/Brechung) steigt der Brechungsindex mit der Frequenhz, sinkt also mit der Wellenlänge: Rotes Licht wird weniger stark gebrochen als blaues Licht.
Bei jedem Übergang in ein anderes Medium werden die einzelnen Wellenlängen somit unterschiedlich gebrochen.
Das bedeutet u.a., dass Linsen für blaues Licht eine kürzere Brennweite haben (starke Brechkraft) als für rotes Licht.
Wenn man also etwas durch eine einzelne Linse ansieht, gibt es Farbränder im Bild.
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| wikipedia common |
Das möchte man natürlich vermeiden, deswegen hat Fraunhofer 1814 mehrlinsige Objektive weiterentwickelt, die so aufgebaut sind, dass sich Farbabweichungen aufheben und farbreine Bilder entstehen (Fraunhofer Achromat, zwei Linsen mit Luftspalt).
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| wikipedia common |
Auch wenn man den tiefstehenden Jupiter in einem Teleobjektiv ansieht, hat er oben (stärkere Lichtbrechung durch die Atmosphäre) einen blauen Rand und unten einen roten Rand.
Will man haben
Lenkt man aber weißes Licht durch ein Prisma, dann wird es zweimal gebrochen (einmal zum Lot hnin und einmal vom Lot weg, aber das kennt ihr aus der Mittelstufe....) und die Zerlegung des Lichtes nach Wellenlängen wird verstärkt, so dass man ein schönes Farbspektrum sieht.
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| leifiphysik |
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| univienna |
Das ist übrigens schon Newton gelungen.
Hier könnt ihr noch mal Vieles nachlesen (Mittelstufe, leifi)
Infos zu Strahlengang im Prisma
3.1.2 Fraunhofer entdeckt Linien in den Spektren
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| Joseph von Fraunhofer, 1787 - 1826 |
Wir haben schon oft Spektren angesehen, sowohl durch Gitter hindurch auf Lampen geschaut, aber auch das Licht von Gasentladungsröhren verwendet. Mit einem kleinen Prismenspektrographen haben wir sogar mal das Sonnenspektrum angesehen.
Daher wissen wir, dass es drei Grundtypen von Spektren gibt, die wir jetzt zusammen mit den Entstehungsprozessen kurz angeben.
Die Entstehungsprozesse werden wir im Laufe des Kurses besser und vertieft verstehen.
Kontinuierliche Spektren:
Das sind die bekannten Farbbänder von Blau nach Rot. Heiße dichte Gase, wie das Innere der Sonne, erzeugen solche Spektren, aber auch die Glühfäden von Glühlampen.
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| itp uni hannover |
Nur einzelne farbige Linien sind über das Spektrum verteilt.
Zur Erinnerung: Diese Linien haben von der Form her keine besondere Bedeutung. Es sind nur die Bilder des Beleuchtungsspaltes.
Solche Spektren werden von dünnen heißen Gasen oder auch Gasentladungsröhren erzeugt.
Die Verteilung der Linien ist charakterisitsch für den leuchtenden Stoff.
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| Physik ETH Zürich |
Absorptionsspektren:
Ein kontinuierliches Spektrum ist durch dunkle Linien (Achtung: das sind immer noch die Bilder des Beleuchtungsspaltes) unterbrochen. Diese Absorptionslinien entstehen, wenn ein kühleres dünnes Gas vor einem heißeren dichten Gas liegt.
Das Spektrum der Photosphäre unserer Sonne (wir nennen es das Sonnenspektrum, weil die Spektren anderer Sonnenbereiche nur aufwändig zu erzeugen sind), ist ein solches Absorptionsspektrum.
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| uni karlsruhe, die Buchstabenbezeichnungen stammen von Fraunhofer |
Fraunhofer hat wohl als erster diese Absorptionslinien näher untersucht. Er hat etwa 500 gesehen, heute kennen wir weit über 10000 Absorptionslinien im Sonnenspektrum.
Auffällig ist, dass Absorptions- und Emissionslinien gleicher Elemente immer bei den gleichen Wellenlängen auftauchen.
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| astro uni tübingen |
Spektralanalyse:
Astronomen können anhand der gefundenen Spektrallinien die chemische Zusammensetzung, aber auch Temperatur, Dichte und Bewegungen der Sterne herausfinden.
Damit haben wir einige wichtige Grundbegriffe zu Spektren anhand der Prismenspektren kennengelernt.
Im Abitur aber muss man oft viele Rechenaufgaben lösen. Die kann man besonders leicht für durch Gitter erzeugte Spektren herstellen.
Dem widmen wir deshalb lieber einen eigenen Post.
Dort werden wir auch mit dem SFN Spektrographen selbst hergestellte Spektren vorstellen.
3.1.3 Sonnenaufbau
Zum Schluss aber noch eine Übersicht zum Sonnenaufbau, da bei Spektren oft auf verschiedene Schichten der Sonne hingewiesen wird:
Die Sonne ist ein etwa 1,5 Millionen km großer Gasball, zu über 70% aus Wasserstoff und über 25% aus Helium bestehend. Alle anderen Elemente machen nur wenige Prozent in der Sonne aus.
Übrigens: Astronomen nennen alles was schwerer ist als Helium ein Metall....
Das Helium wurde übrigens zuerst anhand seiner Spektrallinien im Sonnenspektrum entdeckt, bevor man es auf der Erde gefunden hat. Deswegen heißt dieses Element auch so...
Im inneren Bereich produziert die Sonne durch Fusion von H zu He Energie bei Temperaturen um 15 Millionen Grad. Diese Energie wird erst durch Strahlung und dann durch Strömung nach außen gebracht. In der nur 400 km dicken Photosphärer wird sie dann u.a. als Licht abgestrahlt. Die Photosphäre ist mit 6000 Grad der kühlste Bereich der Sonne.
Deswegen erzeugt die Photopshäre auch ein Absorptionsspektrum.
Magnetfelder heizen die Gase über der Photosphäre erneut auf. Bei der dünnen Chromosphäre geht es an die 100 000 Grad und bei der das gesamte Sonnensystem als Sonnenwind umfassende extrem verdünnte Korona sind es einige Millionen Grad.
Die Chromosphäre wurde durch ihr Emissionsspektrum bei einer Sonnenfinsternis entdeckt.
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| leifiphysik |
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