Das Spektrum des Lichts

Die Schülerinnen und Schüler wissen aus Physik Klasse 7 oder 8, dass sich das weiße Licht aus vielen Farben zusammensetzt, bzw. dass man es mithilfe eines Prismas in die Farben des Regenbogens aufteilen kann.

Sollten sie es nicht behandelt haben, ist es nun höchste Zeit, sie dies erleben zu lassen!

Vorbereitung (Stunden 1 bis 5 von 14)

• OHP und Prisma
• 01_euw_ppt_spektrum_der_sonne.pptx
• Kopien der Arbeitsblätter: 01_euw_ab_spektrum_der_sonne.docx
• Spektrino: Bauanleitung und Material unter https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/astronomie/gym/weiteres/wis/workshop7/spektrino.pdf
• Handspektroskop,
• Handy,
• IR-Thermometer,
• Kerze,
• spiegelnde Platte (ACHTUNG: Bei einem herkömmlichen Spiegel absorbiert das Glas das IR-Licht),
• Wärmelampe,
• Glastrog,
• UV-Perlen,
• UV-Taschenlampe,
• weißes Papier,
• Tipp-Ex,
• Textmarker,
• Backpapier,
• Sonnencreme.

Unterrichtsablauf (Stunden 1 bis 5 von 14)

Zur Motivation bietet es sich an, z.B. -falls noch vorhanden- mit einem OHP und einem Prisma einen „Regenbogen“ im Klassenzimmer zu erzeugen (Jede Physiksammlung sollte genau aus diesem Grund und nur deshalb einen OHP aufbewahren!)

Auch anhand schöner Regenbogenbilder (01_euw_ppt_spektrum_der_sonne.pptx, Folie 2) kann man die Frage stellen, ob nun „links, bzw. rechts“ des Bogens die „Farben“ aufhören (unterhalb endet er selbstverständlich: Da steht ja ein Topf mit Gold…).

Bildquelle: Regebogen von ZPG IMP [CC BY-SA 3.0 DE], aus unterrichtsgang_erde_und_weltall_imp_9.docx, bearbeitet

Bildquelle: Regebogen von ZPG IMP [CC BY-SA 3.0 DE], aus unterrichtsgang_erde_und_weltall_imp_9.docx, bearbeitet

Mit der Präsentation kann auf die Erweiterung des Spektrums in die kurz- bzw. langwelligeren Bereiche des Sonnenspektrums eingegangen werden. Schmeißfliegen können noch Bereiche des UV- Lichts, Schlangen Bereiche des IR-Lichts wahrnehmen (Folie 3 und 4).

William Herschel entdeckte um 1800 die Infrarotstrahlung, die sich im langwelligen Bereich an das rote Licht anschließt (Folie 5): Herschel untersuchte, welche Farbe des Sonnenlichts für die Wärmestrahlung zuständig ist und legte dazu Thermometer in die sichtbaren Farben des Sonnenspektrums. Einer Anekdote zufolge machte er eine Pause nach der, durch den veränderten Sonnenstand, ein Thermometer im Bereich jenseits des roten Lichts lag. Dieses zeigte die höchste Temperatur an: Die Entdeckung der IR-Strahlung!

Möglicher Tafelanschrieb (er muss nicht ganz so farbenfroh ausfallen):

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Bildquelle: Tafelanschrieb von ZPG IMP [CC BY-SA 3.0 DE], aus unterrichtsgang_erde_und_weltall_imp_9.docx, bearbeitet

Mit der Präsentation kann man auch darstellen, dass das Sonnenspektrum Fehlstellen aufweist (Folie 6). Sie sind anschaulich beschrieben. Da die Absorption von Strahlung noch eine Rolle spielt, macht es Sinn, hier schon einmal darauf einzugehen.

Für die Astronomen sind diese Fehlstellen „Fingerabdrücke“ eines jeden Sterns (Folie 11): Je nachdem, welche „Farben“ (Wellenlängen) fehlen, können Rückschlüsse auf enthaltene Elemente und damit auf Alter, Temperatur und Zustand des Sterns gezogen werden.

Die Sterne werden in Spektralklassen eingeteilt. Die Grobeinteilung ist mit Buchstaben gekennzeichnet: O, B,A, F, G,K, M (Offenbar Benutzen Astronomen F urchtbar Gerne KomischeMerksätze, oder für eher älteres bayrisches Publikum:Ohne Bier Aus’mFass Gibt’s KoaMass, oder die englische, romantische Variante:Oh Be AFine Girl Kiss Me, oder, oder, oder…).

In dieser Reihenfolge werden die Oberflächentemperaturen von über 40.000 K bis 3.000 K immer geringer. Ihre wahrnehmbaren Sternfarben reichen von blau (O (z.B. Alnilam)) über weiß (A (z.B. Sirius)) nach gelb (G (z.B. Sonne)) zu rot ( M (z.B. Prox. Centauri, Beteigeuze)).

Bei sogenannten Hauptreihensternen (Folie 12: Sterne in ihrem besten Lebensalter, die, wie unsere Sonne, im Kern Wasserstoff zu Helium fusionieren) werden in dieser Reihenfolge ihre Radien auch immer kleiner. Folie 13 zeigt eindrucksvoll und maßstäblich Sternradien im Vergleich zu unserer Sonne. Alnilam gehört zu den heißesten und größten Hauptreihensternen (24 Sonnenradien). Er ist der mittlere der drei Gürtelsterne des Sternbilds Orion. Übrigens sind alle drei Gürtelsterne solche „Blaue Riesen“.

Beteigeuze ist allerdings im Gegensatz zu allen anderen dargestellten Sternen kein Hauptreihenstern. Er ist an seinem Lebensende und zu einem „Roten Überriesen“ mit ca. 1.000-fachem Sonnenradius aufgebläht. Er fusioniert im innersten Kern Silizium zu Eisen.

Ein Hauptreihenstern der Spektralklasse M ist z.B. der der Sonne am nächsten gelegene Stern (4,2 Lj.) Proxima Centauri (Südsternhimmel). Er ist ein „Roter Zwergstern“ mit nur 0,14 Sonnenradien und einer Oberflächentemperatur von 3050 K.

Falls Schüler nach der letzten Folie fragen sollten: Der Rote Überriese mit dem klangvollen Namen „VY“ im Sternbild Großer Hund (VY CMa) hat etwa den 1,5-fachen Radius von Beteigeuze und demnach Platz für ca. 3,4 Milliarden Sonnen. Er ist aber, im Gegensatz zu Beteigeuze, mit bloßem Auge aufgrund seiner großen Entfernung (3.900 Lj.) nicht sichtbar.

Möglicher Tafelanschrieb

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Bildquelle: Tafelanschrieb von ZPG IMP [CC BY-SA 3.0 DE], aus unterrichtsgang_erde_und_weltall_imp_9.docx, bearbeitet

Ab der dritten Stunde können Versuche zum „unsichtbaren Licht“ mit den zwei Arbeitsblättern 01_euw_ab_spektrum_der_sonne.docx in Stationen durchgeführt werden.

Hierbei können folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

IR-Experimente

1. Die Strahlung einer LED ist nicht auf die Temperatur des Strahlers zurückzuführen, wie es bei einer Glühlampe oder der Sonne der Fall ist. Sie hängt allein von ihren Halbleitereigenschaften ab. Während die Glühlampe, bzw. die Sonne als sogenannter Temperaturstrahler ein kontinuierliches Spektrum erzeugt, gibt eine LED das Licht in mehr oder weniger breiten, begrenzten Banden ab.

   
   

Bildquelle: LED Spektren.jpg von Anton (rp) [ CC BY-SA 3.0 ], via Wikimedia Commons, bearbeitet

2. IR-Strahlung verhält sich hinsichtlich der Reflexion wie sichtbares Licht. Das IR-Thermometer misst die höchste Temperatur nach der spiegelnden Platte, wenn der Einfallswinkel dem Reflexionswinkel entspricht.

3. Wasser absorbiert die IR-Strahlung (Wärmestrahlung) der Wärmelampe. Das Glas absorbiert ebenfalls etwas. Der sichtbare Teil geht aber ungehindert durch die Glaswände und das Wasser hindurch.

UV-Experimente

1. Mit einer UV-Taschenlampe lässt sich zeigen, dass weißes Papier, Textmarker und Waschmittel optische Aufheller haben. Diese wandeln UV-Licht in sichtbares Licht um.

2. UV-Licht durchdringt das Backpapier und verfärbt UV-Perlen (Spielzeughandel).

   Das Backpapier kann als Analogie zur Haut gesehen werden.

   Durch Sonnencreme wird die UV-Strahlung blockiert, sie kann nicht mehr in die Haut eindringen.

   Eine Sonnenbrille mit UV-Schutz absorbiert ebenfalls, die Perlen verfärben sich nicht.

3. UV-Strahlung wird im Gegensatz zur IR-Strahlung nicht von Wasser absorbiert. Ein UV-Schutz beim Baden ist also unbedingt notwendig.

Durch die Experimente kann auch verdeutlicht werden, dass für die Detektion dieser verschiedenen Strahlungsarten unterschiedliche Detektoren notwendig sind. Ein CCD-Chip ist in der Lage IR-Strahlung zu messen, während das Auge diese Strahlung nicht mehr wahrnimmt. Entsprechend verhält es sich mit den UV-Perlen, die aber ein nicht ganz idealer Detektor sind.

Was ausgereifte Detektoren leisten, ist mit dem Helioviewer (https://helioviewer.org/) ersichtlich. Mit diesem kann man Liveaufnahmen der Sonne von verschiedenen Sonnenbeobachtungssatelliten bekommen. Eine ausführliche Beschreibung der vielen Möglichkeiten ist unter dem verlinkten Download Zentrales WIS-Dokument MSOS 10/2016 „Der Helioviewer – Sonnenbeobachtung mit dem Computer“ bei http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/der-helioviewer-sonnenbeobachtung-mit-dem-computer/1285883 zu bekommen.

Vergrößern Bildquelle: Screenshot Helioviewer (https://helioviewer.org/)

Vergrößern Bildquelle: Screenshot Helioviewer (https://helioviewer.org/)

Das Programm beginnt mit dem Satellit SDO (Solar Dynamics Observatory) mit dem Detektor AIA (Atmospheric Imaging Assembly) bei 304 Å (= 30,4 nm), also im harten UV (Abb. 6), das Bild ist etwa eine Viertelstunde alt.

Wählt man stattdessen den Detektor HMI (Helioseismic and Magnetic Imager) bekommt man ein optisches Bild der Sonne (Weißlicht-Kontinuum), wie man es auch mit einer Sonnenfilterfolie am Teleskop beobachten könnte und kann (Abb. 7).

Der Detektor AIA bietet noch weitere Wellenlängen an, die von UV bis EUV (Extrem Ultraviolett) reichen.

So kann man den Schülern das Aussehen der Sonne in verschiedenen (Falsch-)Farben des UV-Lichts zeigen, die man mit bloßem Auge nicht wahrnehmen kann. Hierbei lassen sich Strukturen beobachten, die im sichtbaren Licht nicht erkennbar wären.

Unterrichtsgang: Herunterladen [docx][4 MB]

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