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://​leh​rerf​ortb​ildu​ng-​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.​wis​sens​chaf​t-​schu­len.​de/​alias/​ma­te­ri­al/​der-​he­lio­view­er-​son​nenb​eoba​chtu​ng-​mit-​dem-​com­pu­ter/​1285883 zu be­kom­men.

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

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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]

Un­ter­richts­gang: Her­un­ter­la­den [pdf][2 MB]

Wei­ter zu Die in­ne­ren Pla­ne­ten im Ein­fluss der Sonne