Die fehlenden Farben der Sonne: Fraunhofer Linien

Die fehlenden Farben der Sonne: Fraunhofer Linien

Worum geht es?

Licht entsteht, wenn Elektronen von einem energetisch angeregten Zustand in einen energetisch niedrigen Zustand kommen. Da Licht auch und vor allen bei Sternen entsteht, kann man durch die Analyse des Lichts von Sternen auf deren atomare Zusammensetzung schließen. Eine Möglichkeit der Analyse, ohne dort gewesen zu sein. Wenn man das Sonnenlicht durch ein Prisma zerlegt, sieht man Regenbogenfarben, und einige Stellen bleiben frei – das kontinuierliche Spektrum wird von schwarzen Linien durchzogen.

Was ist die genaue Frage?

Woher kommen die schwarzen Linien im Regenbogenspektrum der Sonne? Warum fehlen an ganz bestimmten Stellen des kontinuierlichen Spektrums ganz bestimmte Farben?

Was gäbe das für Konsequenzen?

Energien im Atom sind quantisiert. Nur ganz bestimmte Werte (Farben) können auftreten.

Voraussetzung und historischer Hintergrund 

Die schwarzen Linien im Regenbogenspektrum der Sonne wurden zuerst vom deutschen Physiker und Optiker Joseph von Fraunhofer beobachtet. Joseph Balmer erklärte sie später. Noch später entdeckten Physiker namens Lyman, Paschen, Bracket und Pfund, dass es bei anderen Frequenzen elektromagnetischer Wellen, die von der Sonne kommen, ebenfalls schwarze Linien gibt – im unsichtbaren Bereich.

Joseph von Fraunhofer (1787–1826), deutscher Optiker und Physiker (c) Wikipedia

Das Experiment von Fraunhofer

Fraunhofer spaltete das weiße Sonnenlicht mit Hilfe eines Spektrums (Glasblock, geschliffen) in Regenbogenfarben auf. Dies funktioniert, weil die unterschiedlichen Frequenzen (Farben) im Lichtgemisch in Glas unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, und ein Glasprisma diese Anteile ihrer Geschwindigkeit nach auffächert. Und: es sind da schwarze Linien.

Das Ergebnis

Balmer formulierte rechnerisch, dass schwarze Linien im Spektrum der Sonne vorkommen müssen. Allgemein weiß man heute, dass das Elektron im Wasserstoff der Sonne in einen angeregten Zustand kommen kann, in dem er passende Energie aufnimmt. Passende Energie kommt von den Lichtstrahlen der Sonne selbst. Nicht von allen, sondern nur von der passenden Farbe. Und diese Farbe fehlt dann im Spektrum.

Auswirkungen

Man kann durch die Spektralanalyse von Licht auf das Vorhandensein bestimmter Atome schließen. (Absorptionsspektrum). Andererseits kann man Gase erhitzen, und sie strahlen dann genau jene Bereiche als Licht ab, die sie im kalten Zustand „verschlucken“ (Emissionsspektrum).

Emissionsspektrum einer Quecksilberdampflampe; die Zahlen geben die Wellenlänge (in nm) der Spektrallinien des Quecksilbers an. Weitere Banden tragen keine Zahlen – dies sind die Emissionen der durch die UV-Strahlung des Quecksilber-Plasmas angeregten Leuchtstoffe. (c) Wikipedia/Leyo

Emissionsspektrum

Emissionsspektrum

Ein Emissionsspektrum ist das elektromagnetische Spektrum, das von Atomen, Molekülen oder Materialien ausgestrahlt wird. Die Spektrallinien entsprechen jeweils der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Diese Energiedifferenz wird beispielsweise durch ein absorbiertes Lichtteilchen, ein Photon, aufgebracht und dann in Form eines Photons, mit jener Energie, abgegeben, d.h. emittiert. Diese ist daher diskret, kann also nicht beliebige Werte annehmen. (Quelle: Wikipedia)

Noch immer interessiert?

Wikipedia Stichwort: Fraunhoferlinie

Extrasolare Planeten

Extrasolare Planeten

Leben könnte es außerhalb der Erde auf extrasolaren Planeten geben. Wie man solche Planeten findet, welche bisher gefunden wurden, und was sonst noch in diesem Bereich interessant ist, wird auf dieser Website zusammengestellt: http://exoplanet.eu/

Extrasolarer Planet

(c) NASA

Interessant sind unter anderem folgende Fragen:

  • Welche Möglichkeit gibt es, solche nichtleuchtende Objekte überhaupt zu finden?
  • In welchem Abstand zum Zentralstern müssen sie sein, damit potenziell Leben entstehen könnte?
  • Muss Leben entstehen oder kann es?
  • Wenn Leben entsteht, muss es unserem Leben auf der Erde ähnlich sein?
  • Gibt es erdähnliche Gegenden im Weltraum?

Diese Fragen wären in einer selbst zusammengestellten Arbeit sicher eine interessante Aufgabe und spannende Herausforderung.

Wo ist Attowelt?

Wo ist Attowelt?

Ein Urlaub in Atto-World dauert den Bruchteil einer Sekunde

Milli, Mikro, Nano, Piko, Femto, Atto. Was sich wie ein Countdown anhört sind die physikalischen Stufen hinunter ins Kleinste. Eine Attosekunde ist ein Tausendstel eines Tausendstels eines Tausendstel eines Tausendstel eines Tausendstel eines Tausendstel einer Sekunde: 10–18. Ein Lichtstrahl käme in dieser Zeit nicht einmal eine Bakterienlänge weit, und könnte die Küchenwaage ein Attogramm anzeigen, würde sie das Landen eines Virus anzeigen.

Wenn Sie in die Attowelt hinuntersteigen, sehen Sie alles riesig groß. Hundert Millionen Atome hätten nebeneinander in einem Attometer Platz. Einige Attosekunden werden benötigt, um in Atomen Energien umzulagern. Chemische Bindungen entstehen in dieser Geschwindigkeit. Alles geht so rasch vor sich, dass einer, der nach Atto-World reist, mit vielerlei technischen Tricks die Zeit auflösen muss, um dieses schnelle Leben dort zu sehen.

Was früher aussichtslos erschien, ist durch die Entwicklung von Elektronik, Optik, Computer und Feinmechanik heute machbar: Attowissenschaftler messen Kräfte im Attonewtonbereich, die nicht ausreichen, um ein Molekül zu heben. Sie entwickeln Reagenzgläser, die einige Attoliter fassen.

Ein normales Blitzlicht dauerte eine Ewigkeit, im Vergleich zu den ultrakurzen Lichtblitzen von 650 Attosekunden Dauer, die Ferenc Krausz 1997 an der Technischen Universität Wien hergestellt hat. Der Blitz war kurz, doch vier Jahre dauerte es, zu beweisen, dass es wirklich passierte. Krausz musste mit seinem Team erst eine Attosekunden-Stoppuhr entwicklen. Heute ist Ferenc Krausz Direktor eines eigenen Forschungsinstitutes, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Die Ergebnisse seiner ultrakurzen Lichtblitze haben sich zu einem eigenen Forschungsgebiet ausgeweitet: „Electrons in Motion“. Laserstrahlen werden verwendet, um die Bewegungen einzelne Elektronen zu steuern und sie dabei zu beobachten.

Anwendungen ergeben sich parallel zum Forschungsfortschritt: Die Chemiker sind interessiert, sie würden die Knüpfung chemischer Bindungen besser verstehen. Die Nanotechnologie ist interessiert, weil sie gezielt in großen Molekülen Umgruppierungen vornehmen will. Viele Krankheiten könnten schneller diagnostiziert werden, da Viren Antikörper aufnehmen, und dabei etwas schwerer werden. Ein Traum wäre, Röntgenstrahlen zu erzeugen, die lernen, ihre Empfindlichkeit auf das zu untersuchende Material abzustimmen, und das übrige Gewebe zu schonen.

Wem aber nun selbst die Attowelt zu groß ist, könnte in Zukunft noch tiefer ins Kleine zoomen. Der nächste Schritt ist die Reise in die Zeptowelt. Nukleare Reaktionen finden in 1o–21 Sekunden statt. Nicht zu vergessen: die Yoktowelt: 1o–24. Ein Proton wiegt ungefährt 1,7 Yoktogramm, und das mächtige Top-Quark, ein Elementarteilchen, lebt und stirbt in nur 0,4 Yoktosekunden. Und wie gehtʼs weiter?

Quelle: Lothar Bodingbauer, Wissen auf unsere großen Fragen. Styria 2007