1. Frage: Was ist das Milchstraßensystem?
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Astrophysik Q3 Grundkurs Physik bei Pawletko Das Milchstraßensystem Von Livia Neubauer 1. Frage: Was ist das Milchstraßensystem? Antwort: Das Milchstraßensystem bezeichnet man die Galaxis bzw. das Sternsystem in dem wir leben. Es besteht aus Einfach-, Doppel- und Mehrfachsternen, Sternhaufen und interstellarer Materie. 2. Frage: Beschreiben Sie die Struktur des Milchstraßensystems. Antwort: Das Milchstraßensystem besteht aus der Zentralregion, der Scheibe, dem Hola und der Korona. Das eigentliche Zentrum aber wird durch eine starke Quelle nichtthermischer Strahlung gebildet. Drumherum befindet sich dann die Zentralregion, die die Gestalt einer leicht abgeplatteten Kugel hat. Je näher am eigentlichen Zentrum, desto höher ist die Sterndichte und die Dichte der interstellaren Materie in der Zentralregion. Um die Zentralregion herum ist die Scheibe, die durch mehrere Spiralarme strukturiert ist. In den Spiralarmen konzentrieren sich leuchtkräftige heiße Sterne, Sternhaufen und interstellare Materie, während sich zwischen den Spiralarmen Sterne geringerer Leuchtkraft befinden. Die Scheibe ist vom fast kugelförmigen Hola umschlossen, das aus kugelförmigen Sternhaufen und Einzelsternen besteht. Und das Hola ist wiederum von der dunklen Korona umgeben, einer unsichtbaren sehr massenreichen Hülle. Sie hat die zehnfache Masse der sichtbaren Bestandteile des Systems. 3. Frage: Was haben wir (die Erde) mit dem Milchstraßensystem zu tun? Antwort: Die Sonne und damit das Sonnensystem, in dem sich die Erde befindet, gehört dem Milchstraßensystem als einer von mehreren hundert Milliarden Sternen (𝑘 · 1011 𝑆𝑡𝑒𝑟𝑛𝑒) an. Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 1 Wir sehen das Milchstraßensystem also von innen. Dieser Innenanblick ist die Milchstraße, ein schwach leuchtendes Band, das vom gemeinsamen Licht einer sehr großen Anzahl Sterne vom Mensch wahrgenommen wird. Kosmologie 1. Frage: Das kosmologische Prinzip besagt, dass der Kosmos zu jedem Zeitpunkt seiner Entwicklung homogen und isotrop ist. Was bedeuten diese beiden Begriffe? Was besagt das kosmologische Prinzip noch? Antwort: Homogenität bedeutet, dass Materie im Kosmos gleichmäßig verteilt ist und sich Strukturelemente gleichmäßig bewegen. Isotropie bedeutet, dass der Anblick des Kosmos in jeder Richtung gleich ist und physikalische Vorgänge richtungsunabhängig sind. Außerdem besagt das kosmologische Prinzip die Gleichartigkeit der Materie und materieller Strukturen und die universelle Gültigkeit der Naturgesetze. 2. Frage: Was ist der Doppler-Effekt, die Rotverschiebung und der Hubble-Effekt? Antwort: Der Doppler-Effekt beschreibt eine Frequenzverschiebung von sich bewegenden Körpern. Die Frequenz von Wellen eines Körpers, der sich auf uns zu bewegt, wird höher, da die Welle gestaucht wird. Entfernt der Körper sich, wird die Welle gestreckt und die Frequenz damit niedriger. Diese Frequenzverschiebung wirkt sich auf die Tonhöhe bei Schallwellen und auf die Farbe bei Lichtwellen aus. Veranschaulichend für die Schallwellen ist das Beispiel eines Krankenwagens, dessen Sirene höher klingt, je näher er sich befindet, und tiefer klingt, je weiter weg er ist. Bei hoher Frequenz wird der Ton also höher, bei niedriger Frequenz tiefer. Das gleiche Prinzip gilt für Lichtwellen. Kommt der Körper auf uns zu, wird die Frequenz höher und das Licht geht in blau über. Entfernt sich der Körper, wird die Frequenz niedriger und das Licht geht im sichtbaren Bereich immer mehr ins rot über. Daher leitet sich auch der Begriff Rotverschiebung ab, der auch Doppler-Rotverschiebung genannt wird. Der Hubble-Effekt überträgt das Ganze nun auf die Sterne. Fast alle Sternsysteme weisen Rotverschiebung ihrer Spektrallinien auf und nahezu alle Galaxien entfernen sich vom Milchstraßensystem mit einer Radialgeschwindigkeit. Die kosmologische Rotverschiebung kommt daher, dass sich die Abstände zwischen den Galaxien ständig vergrößern. D.h. die Galaxien entfernen sich alle immer weiter voneinander, die Radialgeschwindigkeit, mit der sie sich entfernen, wird immer größer, die beobachtete Frequenz des Lichts der Spektrallinien wird immer niedriger und die Farbe des Lichts geht immer weiter in rot über --> Kosmologische Rotverschiebung. Der Dopplereffekt wird zunehmend nicht als Ursache der Kosmologischen Rotverschiebung verstanden. Es ist wohl ein Effekt, der seine Erklärung in der Relativitätstheorie findet (Raumdilatation). Nach Hubble gilt für die nichtrelativistischen Geschwindigkeiten 𝑣 𝑣 =𝑐·𝑧 mit: 𝑧 = 𝜆−𝜆0 𝜆0 𝑣 𝑐 = , 𝜆: gemessene Wellenlänge, 𝜆0 : Labor-Wellenlänge Relativistisch gilt: 𝑣 = (𝑧+1)2 −1 (𝑧+1)2 +1 ·𝑐 Es gilt immer: 𝑣 = 𝐻0 · 𝑟 Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 2 Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 3 Gravitation Von Frederik Brendel und Minh Cong Nguyen Einführung: http://www.youtube.com/watch?v=uDiy__nc_oA (14 min) 1. Frage: Wie kam man auf die Existenz von Gravitation? Antwort: Schon immer schauten die Menschen in den Himmel und fingen an sich Gedanken über die Bewegungen von Sternen und Planeten zu machen (z.B. entstand so das heliozentrische Weltbild). Durch die Nutzung eines Fernrohres fing Galileo Galilei an, sich genauer mit Planetensystemen auseinander zu setzen. So fand er heraus, dass die Jupitermonde sich genau so um den Jupiter drehen, wie die Erde um die Sonne. Johannes Kepler (1571-1630) bestätigte dann Galileis Beobachtungen durch die nach ihm benannten Gesetze. Somit machte er sich Gedanken, welche Kraft dafür verantwortlich ist, dass die Jupitermonde auf ihrer Umlaufbahn bleiben. 2.Frage: Wie lauten die Kepler'schen Gesetze und was bedeuten sie? Antwort: 1. Kepler'sches Gesetz: Alle Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne. In einem der beiden Brennpunkte von der Elipsenbahnen steht die Sonne. Auswirkungen: Die Sonne liegt in der jeweiligen Bahnebene der Planeten. Der Punkt an dem der Planet am weitesten von der Sonne entfernt ist heißt Aphel. Am dichtesten Periphel. 2. Kepler'sches Gesetz (Flächensatz): Die gerade Verbindung zwischen der Sonne und einem Planeten überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen: ∆𝐴 ∆𝑡 = konstant Auswirkungen: Es stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeit der Planeten immer variieren muss. 3. Kepler'sches Gesetz: Innerhalb eines Planetensystems gilt für die großen Halbachsen der Bahnen a und die Umlaufzeiten der Planeten T: 𝑎³ 𝑇2 = 𝐶𝑘 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡https://etherpad.mozilla.org/ep/search?query=konstant Ck ist die Keplerkonstante. Sie ist für jedes Planetensystem charakteristisch. 3.Frage: Was hält den Mond auf seiner Umlaufbahn? Antwort: Wie bei allen kreisförmigen Bewegungen wirken zwei Kräfte auf den sich bewegenden Körper ein: Zum einen die Zentrifugalbeschleunigung, zum anderen die Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 4 Zentripetalbeschleunigung, auch bekannt als Fallbeschleunigung. Die Fallbeschleunigung entspricht auf der Erde g (9,81 m/s²). Hier fängt Isaac Newton an, die Kepler'schen Gesetze mathematisch zu beweisen. 4. Frage: Ist g konstant und universal einsetzbar? NEIN! g ist schon auf der Erde an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß. Das liegt daran, dass g von der spezifischen Dichte der Erdteile beeinflusst wird. Außerdem wirkt sich die Zentrifugalbeschleunigung auf der sich rotierenden Erde an den Stellen mehr aus, welche weiter von der Rotationsachse entfernt sind. Zudem wurde festgestellt, dass g quadratisch abnimmt, wenn man sich vom Massezentrum der Erde (oder eines anderen Massekörpers) entfernt. Dies gleicht dem Abstandsquadratgesetz bei Strahlung, was schon einmal einen Hinweis auf die Wirkungsweise von Gravitation gibt, sie muss teilchengebundener Strahlung irgendwie ähneln. Allerdings ist die Frage, wie Gravitation genau wirkt immer noch nicht geklärt. 5. Was hat nun die Planetenbewegung mit dem fallenden Apfel bei uns auf der Erde zu tun? Um das zu klären, zerlegte Isaac Newton die Bewegung eines Planeten in zwei Teile: Ersten die gleichförmige Tangentialbewegung und zweitens die auf das Zentrum gerichtete Radialbewegung. Für diese Radialbewegung sei die Gravitation verantwortlich, welche von der Masse des Zentralkörpers abhängig sei. Um diese Kraft zu beschreiben, die letztendlich dafür verantwortlich ist, dass die Erde um die Sonne kreist, dass der Apfel vom Baum fällt oder dass wir auf der Erde stehen, stellte Newton das nach ihm benannte allgemeine Newton'sche Gravitationsgesetz: 𝐹=𝐺· 𝑚1 · 𝑚2 = 𝑔(𝑟, 𝑚1 ) · 𝑚2 𝑟2 G ist hierbei eine feste Gravitationskonstante m1 und m2 die zwei Massen, der sich anziehenden Körper und r der Abstand der beiden Schwerpunkte G = 6,67 · 10-11 𝑚3 𝑘𝑔 × 𝑠2 G ist allerdings sehr schwer genau zu bestimmen, da Gravitationswechselwirkungen sehr schwach sind. So üben zwei 100 kg schwere Körper im Abstand von einem Meter nur eine Gravitationskraft von 6,67 * 10-7 N aufeinander aus. Aufgabe: Wie lässt sich mit dem Newton'sche Gravitationsgesetz die Erdmasse theoretisch berechnen? Die Erdmasse lässt sich ungefähr bestimmen, indem man zu nächst die Gravitionsanziehung mit der Zentripetalkraft des Mondes gleichsetzt, die leichter zu bestimmenden Werte Winkelgeschwindigkeit (2π/T) und Erd-Mond-Abstand einfügt und nach der Erdmasse umstellt: 𝑚𝐸 · 𝑚𝑀 𝐺· = 𝑚𝑀 ∙ 𝜔2 ∙ 𝑟 𝑟2 𝑚𝐸 = 𝜔2 ∙ 𝑟 3 𝐺 6. Wir wissen ja, dass es auf der Erde das Phänomen von Ebbe und Flut gibt und wir wissen auch, dass das mit der Anziehungskraft des Mondes zusammen hängt. Doch wieso entsteht dann auf der mondabgewandten Seite der Erde Flut, wie auch auf der mondzugewandten? Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 5 Die Flut auf der mondzugewandten Seite lässt sich einfach durch die direkte Anziehungskraft des Mondes auf das bewegliche Wasser in den Meeren erklären. Doch für die Erklärung der Flut auf der anderen Seite der Erde muss man sich eines bewusst machen: Der Mond kreist nicht direkt um die Erde! Vielmehr kreisen beide Massekörper um einen zentralen zwischen ihnen liegenden Rotationspunkt, da Gravitation nicht nur einseitig von der Erde ausgeht, sondern auch vom Mond. Doch liegt dieser Rotationspunkt eher an der Erde als am Mond, weil die Erde schlichtweg mehr Masse besitzt. Dadurch wird quasi das Meer "geschleudert" und "bäumt" sich deswegen auf der rotationspunktabgewandten Seite auf (Abb. 90.1). 7. Die Gravitation eines Zentralkörpers hängt von seiner Masse ab. Wie kann man sich die Wirkung dieser Gravitation bildlich vorstellen? Das Gebiet welches von der Gravitation des Zentralkörpers beeinflusst wird nennt sich Gravitationsfeld und baut sich als Vektorfeld auf. Zu jedem Punkt des Raumes in der Umgebung des Zentralkörpers lässt sich eine Fallbeschleunigung 𝑔⃑ angeben, die auf die Masse des Zentralkörpers zurückzuführen ist. Die Fallbeschleunigung hat in jedem Punkt einen bestimmten Betrag und eine bestimmte Richtung. Durch die Verknüpfung verschiedener Punkte, die in die selbe Richtung zeigen, entstehen Feldlinien. Je dichter die Feldlinien zueinander liegen, umso höher ist der Betrag des Gravitationsfeld. So lassen sich als Fazit Vektorfelder mithilfe von Feldlinien modellhaft darstellen. (Abb. 88.1) 𝑔⃑ = 𝐹⃑ G /mPr 𝐹⃑ ist die Feldgröße mPr ist die Masse des Probekörpers 8. Gibt es Orte an dem die Fläche im Gravitationsfeld das selbe Potential besitzt wie eine andere Fläche an einem anderen Ort im Gravitationsfeld? Das Potential nach dem gesucht ist, ist das Gravitationspotential V, welches angibt, wie groß die potenzielle Energie eines Probekörpers im Gravitationsfeld ist. 𝑉= 𝐸𝑝𝑜𝑡 𝑚𝑃𝑟 Auf der Erde gilt: 𝑉 = −𝐺 · 𝑚𝐸 · 1 𝑟 Der Ort an dem benachbarte Punkte das gleiche Potential besitzen, heißt Äquipotenzialfläche. Daraus folgt, dass ein Körper, der auf den Äquipotenzialflächen verschoben wird, seine potenzielle Energie nicht verändert. Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 6 Sternenentstehung: Von Leon Engemann und Daniel Ochs Definition eines Sterns: Ein Stern ist ein leuchtender massereicher Himmelskörper, der durch seine eigene Gravitation zusammengehalten wird. Alle leuchtenden Punkte, die wir an unserem Himmel sehen sind Sterne. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Star-sizes.jpg Sternengrößen im Vergleich 1. Frage: Wie entsteht ein Stern? Antwort: Die Gravitation einer kühlen, dichten Wolke aus interstellarer Materie kann durch Stoßwellen einer Supernova oder Strömungen interstellarer Materie instabil werden, also die Eigengravitation der Wolke größer als die in ihr nach außen wirkenden Kräfte ist. Dadurch zieht die Wolke Materie aus ihrer Umgebung an und ihre Dichte steigt. Die Kontraktion der Materie im Kern bewirkt eine Erwärmung des nun entstandenen Protosterns. 2. Frage: Was verhindert eine Sternenentstehung? Wenn sich die Gaswolke vor der Kontraktion um sich selbst dreht, wird sie sich im weiteren Verlauf weiterhin drehen und durch die Kontraktion immer schneller werden. Die Zentrifugalkraft wird die Wolke wieder expandieren lassen, sodass diese nicht zu einem Stern werden kann. Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 7 3.Sternetypen: -Hauptreihenstern: Mehrheit der Sterne befinden sich in der Hauptreihe. Längstes Stadium eines Sternes (siehe Hertzsprung-Russel-Diagramm) -Roter Riese: sehr großer Stern, mittlere Temperaturen, Leuchtkraft ist durch die große Oberfläche hoch -Weißer Zwerg: sehr Kleiner Stern, sehr hohe Temperatur, Leuchtkraft ist durch die kleine Oberfläche aber gering -Neutronenstern: sehr hohe Masse, wenig Umfang -> ca 20km Durchmesser bei 1,5 bis 3 Sonnenmassen Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 8 Abbildung: Herzsprung- -Diagramm 4. Hertzsprung-Russell-Diagramm Das Hertzsprung-Russell-Diagramm stellt die bekannten Sterne in einem Diagramm dar. Dabei sind die Sterne nach Leuchtkraft (y-Achse) und Temperatur (x-Achse) angeordnet. Die Temperatur bestimmt die Farbe des Sterns. Die Leuchtkraft hängt unter Anderem von der Größe des Sterns ab, da eine größere Oberfläche auffälliger ist als eine kleinere. 5. Frage: Wie "stirbt" ein Stern? Supernova -> Explosion -> Hellt ein letztes Mal auf und strahlt mit milliardenfacher Helligkeit in einer Explosion -> Schwarzes Loch oder Neutronenstern Stern glüht aus -> schwarzer Zwerg - leuchtet nicht mehr (noch nicht vorhanden, da das Universum noch sehr jung ist) 6. Frage: Was unterscheidet Sterne von Planeten? Planeten sind in Bewegung. Das Wort "Planet" stammt aus dem Griechischen und bedeutet "umherschweifend" oder "sich bewegend". Sterne dagegen haben eine feste Position und werden von Planeten umkreist. Ein weiterer Unterschied ist die Masse und die Leuchtkraft. Planeten haben eine viel kleinere Masse und leuchten nicht. Sterne leuchten immer, außer sie sind ausgeglüht oder sind noch in der Entwicklungsphase und haben sich noch nicht entzündet. 7. Aufgabe: Größe, Masse oder Entfernung von Sternen / der Sonne | Berechnung des Sonnenradius Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 9 Schwarze Löcher Von Janna Sonnenschein und Lisa Nachtwey Was sind schwarze Löcher? Der Begriff: Ein schwarzes Loch ist ein Außenraum mit hinreichender kompakten Masse oder Energieanhäufung, welches ein Raumgebiet bildet. In dieses fallen Materien hinein, doch finden nicht wieder heraus. Daher kommt der Begriff "Loch". Dieses Loch können auch elektromagnetische Wellen, wie zum Beispiel sichtbares Licht, nicht verlassen, deswegen nennt man es "schwarzes Loch". Generell wird unter dem schwarzen Loch ein astronomisches Objekt verstanden, welches eine extreme Gravitation besitzt. Die Entstehung kann man nach der allgemeinen Relativitästheorie folgendermaßen beschrieben: Es ist eine kompakte Masse, welche die Raumzeit verformt und so ein schwarzes Loch bildet. Gibt es verschiedene schwarze Löcher und wie entstehen diese? Es gibt eine Klasseneinteilungen mit vier verschiedenen schwarzen Löchern. Eingeteilt werden die Löcher nach ihrer Entstehungsweise, der Größe (Schwarzschildradius) und Masse. 1. Supermassenreiches schwarzes Loch: Besitzt die größte Masse, den größten Radius, doch seine Entstehung hat man noch nicht erforscht. 2. mittelschweres schwarzes Loch, entsteht eventuell durch Sternkollisionen und verschmelzungen. 3. stellares schwarzes Loch: Ist der Endzustand von entwickelten Sternen. Doch Sterne die eine zu kleine Masse haben, können nicht zu einem schwarzen Loch werden. Diese schwarzen Löcher entstehen, wenn Sterne in einer Supernova explodieren, die überbleibende Sternenreste, welche eine bestimmte Mindestgröße haben, werden zu einem schwarzen Loch. 4. Primoordiales schwarzes Loch: wurden beim Urknall im Raumbereich geblidet. Durch die Schwankungen der gleichmäßigen Dichteverteilung entstehen diese schwarzen Löcher. Was ist ein Ereignishorizont und der Schwarzschildradius? Der Ereignishorizont ist eine Grenzfläche, Ereignisse außerhalb von diesem sind nicht sichtbar. Es ist die Grenze für Informationen und Kausale Zusammenhänge. Bei schwarzen Löchern hängt dieser von der Masse ab, doch eine neue Theorie besagt, dass schwarze Löcher selbst keinen Ereignishorizont hätten. 1971 wurde allerdings angeblich gezeigt, dass der Ereignishorizont eines schwarzen Loches nicht kleiner werden könne. Der Schwarzschildradius ist eine "Linie" ausgehend vom Mittelpunkt bis zum Ereignishorizont. Geben schwarze Löcher eventuell doch etwas ab? Ja, schwarze Löcher können Energie in Form von Hawking-Strahlung abgeben. Wenn man davon ausgeht, weiß man, dass schwarze Löcher verdampfen, desto schneller, umso kleiner it die Masse. Hawking-Strahlung ist sehr energiearm und nicht erkennbar. Warum sind schwarze Löcher schwarz? Jeder Körper besitzt eine bestimmte Fluchtgeschwindigkeit, die angibt, welche Geschwindigkeit ein Körper haben muss, um von der Oberfläche des erstgenannten Körpers starten zu können und nie wieder zurückzukehren. So hat die Erde eine Geschwindigkeit Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 10 beschleunigen könnte und in Richtung Himmel schießen würde, würde er nie wieder zurückkehren. Sehr große und/oder sehr kompakte Körper können sogar eine Fluchtgeschwindigkeit besitzen, die gleich oder größer als die Lichtgeschwindigkeit (2997792,458 km/s) ist. Einen solchen Körper kann man nicht sehen: Sowohl Licht, das er selbst aussendet, als auch Licht, das zu ihm gesendet wird, kann der Fluchtgeschwindigkeit nicht entkommen. Dieses Phänomen lässt sich ebenfalls mit Hilfe der Gravitation eines Körpers erklären. Bei sehr kompakten und/oder sehr großen Körpern ist dessen Gravitationsfeld sehr stark. Denn wenn die Gravitation extrem stark ist, werden die Photonen des Lichts, die vom Körper ausgesandt werden, auf ihrem Weg vom Körper weg verlangsamt bis sie stillstehen und zurück in Richtung Körper fliegen. Kein Licht tritt aus. Alle Photonen, und jegliche andere Materie, die sich auf den Körper zu bewegen, werden beschleunigt, sobald sie ins Gravitationsfeld des Körpers gelangen und fliehen auf diesen zu. Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 11 Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 12 Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 13 Aufgaben Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 14 Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 15 Leben auf anderen Planeten Von Max Klemann, Robin Krause und Florian Meyer Frage: Wieso wird auf der Suche nach außerirdischem Leben so intensiv nach wasser gesucht und wieso ist Wasser so besonders? Antwort: Weil alles Leben auf der Erde von Wasser abhängig ist, wir dieses Element weitestgehend erforscht haben, und es uns vertraut genug ist vernünftig nach außerirdischem Leben zu suchen. -an Merkurs Polen, Uranus, Neptun wurde Wasser gefunden -Wasserstoff ist das meist vorkommenste Element in All -Wasser enthält lebensnotwendige Stoffe, wie Zucker und Salz -Der Apfel bekommt seine Krümmung durch die Gravitation. -Bleibt über eine Reichweite von Temperaturen flüssig, d.h. es werden bestens Nährstoffe transportiert -es braucht eine Menge Energie um die Temperatur zu ändern, d.h. es kann sich gut in Situationen halten, die hospitabel für Leben sind und Wechsel standhalten kann -Wasser speichert gut Infrarotstrahlung, d.h. speichert gut Hitze Bsp.: vereister Mond "Europa" unter dessen Eisschicht Ozeane vermutet werden Frage: Warum entstand auf unserer Erde Leben und nicht auf einem anderen Planeten? 1: Vorraussetzung: Wasser -Entscheidender Faktor für Entstehung des Lebens auf der Erde war Wasser -Verschiedene Gase u.a Wasserdampf aus Vulkanen u. Erdspalten bei Erdentstehung -Es begann zu regnen und die Meere entstanden -Kleinstlebewesen (Einzeller) bilden sich in den Ur-meeren (verschiedene Theorien) -Wasser schützt Urlebewesen vor tödlicher ultravioletter Weltraumstrahlung (Absorption) -Erdatmosphäre war noch nicht vorhanden, Strahlung wurde noch nicht aufgehalten -Sauerstoff eine Notwendigkeit für Erdschutzhülle (Ozonschicht) 2: Vorraussetzung: Ozonschicht -Existenz von Leben an Land möglich durch Ozonschicht (Mensch u. Tier) -Sauerstoff noch nicht von Anfang an vorhanden, sondern wurde durch Pflanzen erzeugt (Fotosynthese) -Aus besonderer Sauerstoffform Ozon entsteht Ozonschicht -Kein anderer Planet unseres Sonnensystems besitzt lebenserlaubende Atmosphäre -Mond bietet gute Bedingung für Bildung einer Atmosphäre (geringe Größe erlaubt jedoch keine eigene Atmospäre) -Mars besitzt derzeit keine Atmosphäre, jedoch weisen Beobachtungen auf frühere Atmosphäre Frage: Leben auf dem Mars! Ist das möglich? Frühestens 2023 sollen Astronauten auf den Mars fliegen, um dort eine Kolonie zu gründen. Derzeit werden noch bis zu 40 Freiwillige gesucht, die an dem 6 Mrd. $ Projekt teilnehmen möchten. Das Auswahlverfahren soll 2015 abgeschlossen sein. Vorraussetzungen: -Volljährigkeit -Englisch-Kenntnisse und soziale Kompetenz -gute Gesundheit Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 16 "Mars One" sieht keinen Rückflug von Mars zur Erde vor, da die Kosten und der technische Aufwand zu immens wäre. Würde es wirklich zur Realisierung des Projektes kommen, hätten die 40 Frauen und Männer 7 Monate Flug in der Dunkelheit vor sich, und wären starker kosmischer Strahlung ausgesetzt. Auf dem Mars angekommen, hätten sie viel Arbeit vor sich. Sie müssten Wohnkapseln und künstliche Gärten aufbauen (aus den Materialien, die mit geliefert werden). Sie würden ihr komplettes Leben dort verbringen. Das Projekt soll als größtes "Medienereignis der Weltgeschichte" vermarktet und finanziert werden. Es soll eine Reality TV Show werden, die auf wissenschaftlichen Erkenntnissen basiert. Was ist S.E.T.I? Search for Extraterrestial Intelligence. Elektromagnetisches Spektrum wird nach Radiowellen abgesucht nach möglichen Anzeichen und Signalen weit entwickelter fremder Zivilisationen. Seit 1960.Die Galaxie, in der sich die Erde befindet, Milchstraße, Durchmesser von ungefähr 100.000 Lichtjahren und beinhaltet zwischen 200 und 400 Milliarden Sterne, 50 Milliarden Planeten, davon schätzungsweise 500 Millionen Planeten in habitablen Zonen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Lebensformen auf Kohlenstoff-Chemie basieren. Man konzentriert sich hierbei auf sonnenähnliche Sterne Der Laser Von Luis Haan und Yannik Schäfer Grundlagen Die Abbildung zeigt die Vorgänge der spontanen und stimulierten Emission. Spontane Emission: Nachdem ein Atom in ein angeregten Zustand gehoben worden ist, bleibt dieser Zustand typischerweise nur wenige Piko- bis Mikrosekunden bestehen. Danach wird das absorbierte Lichtquant wieder emittiert. Dieser Vorgang erfolgt automatisch und spontan. Stimulierte Emission: Bei der stimulierten Emission wird die Lebensdauer des angeregten Zustandes eines Atoms dadurch künstlich verkürzt, dass nach Anregung eines Atoms ein weiteres Energiequant das Atom trifft. Das zweite Energiequant muss genau dem Energiebetrag des absorbierten Quants entsprechen. Das Durchqueren des Atoms durch das zweite Quant verursacht eine frühzeitige Emission des ersten Quants. Der Laser(light amplification by stimulated emission of radiation) wurde im Jahre 1960 entwickelt. Die Ausbildung eines Laserstrahls beruht auf dem beschriebenen Vorgang der stimulierten Emission. Zunächst wird eine durch spontane Emission zufällig entstandene Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 17 elektromagnetische Welle durch fortlaufende stimulierte Emission weiterer Photonen verstärkt(siehe Abb.2). Aufbau eines Lasers: Elementare Bestandteile eines Lasers sind der optische Verstärker und der Resonator. Der auslösende Prozess erfolgt zufällig in eine beliebige Raumrichtung und zu einem beliebigen Zeitpunkt. Durch Überlagerung vieler solcher spontan entstandenen und anschließend verstärkten elektromagnetischen Wellen würden dennoch auch diese überlagerten Wellen in den gesamten Raum ausgesendet und sich nicht wesentlich von einer normalen monochromatischen Lichtquelle unterscheiden. Der Resonator sorgt dafür, dass im Idealfall nur Strahlung einer Raumrichtung zur Verstärkung führt, während andere Strahlrichtungen nach einmaligem Durchgang durch das Lasermedium ausgeblendet werden. So wird der größte Teil der gespeicherten Energie in eine Raumrichtung ausgestrahlt. Genauere Erläuterung zum Resonator: Was ist ein Resonator? Ein Resonator verstärkt eine Schwingungsfrequenz, dabei ist zu beachten, dass in jedem Resonator mehrere Schwingungsfrequenzen verstärkt werden können(einerseits die Grundfrequenz andererseits ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz). Die Erklärung für dieses Verhalten findet sich bei näherer Betrachtung der Vorgänge innerhalb des Resonators. In einem Resonator kommt es zur Ausbildung stehender Wellen, also zu räumlich stabilen Verteilungen der Schwingungsenergie, die sich durch Überlagerung von hinHeinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 18 und rücklaufenden Wellen ergeben. Damit stehende Wellen ausgebildet werden können, muss die Länge des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches des halben Wellenlänge betragen. Es gilt also: L=n*λ/2. Die unterschiedlich möglichen Schwingungszustände in einem Resonator bezeichnet man als Resonatormoden. Abbildung vier zeigt zwei stehende Wellen für den Fall n=9 und n=8. Praktisch kann ein Resonator dann aussehen wie in Abbildung zwei gezeigt. Zwischen zwei Spiegeln wird die elektromagnetische Welle hin-und her geworfen, wobei der linke Spiegel zu 100% reflektiert und der rechte zu 99,9%, also teildurchlässig ist. Durch den teildurchlässigen Spiegel wird ein geringer Teil ausgekoppelt. Dieser Teil der stehenden elektromagnetischen Welle ist die sichtbare „Laserstrahlung“. Erläuterung zum Erzeugen einer stimulierten Emission und dem Lasermedium: Um wie in Abbildung zwei gezeigt eine Verstärkung einer durch spontane Emission entstandenen elektromagnetischen Welle zu erzeugen, müssen sich mehr Atome des Lasermediums im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand, da die Wahrscheinlichkeit für die Absorption eines Photons durch ein nichtangeregtes Atom genauso groß ist wie die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Emission eines angeregten Atoms. Durch thermische Anregung und alle anderen Formen energetischer Anregung kann das ober Niveau maximal gleich besetzt werden, niemals höher(siehe Abb. 5). Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 19 Jedoch gibt es eine Möglichkeit dennoch eine höhere Besetzung im oberen Niveau als im unteren Niveau zu erreichen(Dieser Zustand wird Besetzungsinversion genannt.). Diese Möglichkeit beruht auf dem Zusammenspiel von mindestens drei Energieniveaus unterschiedlicher Lebensdauer. Exemplarisch kann dies an Abbildung 6 gezeigt werden. Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 20 Zunächst werden nichtangeregte Atome in ein höheres Energieniveau gehoben, das jedoch nur eine kurze Lebensdauer besitzt und deshalb schnell in ein tieferes und stabileres Niveau(das obere Laserniveau) relaxiert. Aufgrund der Langlebigkeit des oberen Laserniveaus ergibt sich sozusagen ein Stau angeregter Atome. Die Besetzung des unteren Niveaus bleibt hingegen sehr gering, da diese ebenfalls sehr kurzlebig ist. Das Vorhandensein einer Besetzungsinversion erzeugt eine lawinenartige Verstärkung spontan entstandener elektromagnetischer Wellen, welche im Resonator nun exakt in sich selbst zurückgespiegelt werden. Als Lasermedium kann jeder Stoff verwendet werden mit dem eine Besetzungsinversion erzeugt werden kann: 1. Gasförmige Atome in ionisierter oder ungeladener Form (Gaslaser) 2. Farbstoffmoleküle in Lösung (Farbstofflaser) 3. Atome oder Ionen in Festkörpern (Festkörperlaser) Heinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16 21
