Frage E7

Frage E7
a) Was ist Licht? Wie wird Licht in der Physik beschrieben?
Licht ist elektromagnetische Strahlung und entsteht durch schwingende elektrische und
magnetische Felder mit Wellenlängen von 390-780nm. Es hat Wellen- und Teilcheneigeschaften. In der Physik wird es als Transversalwelle, aber auch als Strom von Photonen
beschrieben.
b) Erläutere die mit Licht verbundenen Begriffe: Reflexion, Brechung und Beugung.
Reflexion: An spiegelnden Oberflächen wird Licht nach dem Reflexionsgesetz reflektiert. Der einfallende und der ausfallende reflektierte Strahl sowie das Lot auf der reflektierenden Fläche liegen in einer Ebene. Der Winkel zwischen Lot und eintreffendem
Lichtstrahl (Einfallswinkel) und der Winkel zwischen Lot und reflektiertem Lichtstrahl
(Ausfallswinkel Reflexionswinkel) sind gleich groß.
Brechung (z.B an Prismen): Licht wird an der Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher optischer Dichte gebrochen, d. h. ein Strahl ändert an dieser Grenzfläche
seine Richtung.
Beugung (z.B an Spalten oder Gittern): Wenn das Licht auf einen Spalt trifft, wird der
Punkt an der Wellenfront zum Ausgangspunkt einer neuen Welle (einer sogenannten
Elementarwelle) - das besagt das Huygens’sche Prinzip. Bei zwei nebeneinanderliegenden Spalten interferieren die Elementarwellen, es kommt zu konstruktiven (Wellental+Wellental und Wellenberg+Wellenberg) und destruktiven Interferenzen (Wellental+Wellenberg).
c) Die Datenübertragung über Lichtleiter ist weit verbreitet. Welche physikalische
Erscheinung wird dabei genutzt?
Man nützt dabei die Totalreflexion. In Glasfaserkabeln werden Daten also mit Lichtgeschwindigkeit übertragen.
Totalreflexion: kommt zustande, wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist
und wenn der Lichtstrahl vom dichteren ins dünnere Medium verläuft.
d) Spektren spielen in der Astronomie eine große Rolle.
Wie erzeugt man Spektren?
Durch Brechung an Prismen oder Beugung an optischen Gittern.
Welche Arten von Spektren gibt es?
Man unterscheidet zunächst Emissionsspektren und Absorptionsspektren.
Ein Spektrum, das allein durch das Licht entsteht, das von einer Lichtquelle ausgesendet
(emittiert) wird, nennt man Emissionsspektrum. Solche Emissionsspektren können kontinuierliche Spektren oder Linienspektren sein. Welches Spektrum entsteht, hängt von
der jeweiligen Lichtquelle ab - bei festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen unter hohem Druck entsteht ein kontinuierliches Spektrum; bei heißen Gasen unter geringem
Druck entsteht ein Linienspektrum.
Absorptionsspektren entstehen, wenn sich ein Gas (z.B. Natriumdampf) zwischen Lichtquelle und Prisma befindet, das bestimmte Wellenlängen absorbiert. Dabei muss von
der Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum ausgesendet werden. Das Gas absorbiert
dabei die Teile des Spektrums, die es selbst aussenden würde, wenn es leuchtet (Resonanz). Diese Teile fehlen im Spektrum, man sieht also schwarze Linien (kein Licht trifft
auf). Die Fraunhoferschen Linien stellen ein bekanntes Absorptionsspektrum dar: Man
misst das kontinuierliche Spektrum eines Sternes und kann so herausfinden, welche
Gase sich um den Stern herum befinden, denn diese Gase absorbieren bestimmte Wellenlängen, die als schwarze Striche sichtbar werden. Aufgrund der fehlenden Wellenlängen kann man auf die vorhandenen Gase rund um den Stern rückschließen. So konnte
man die Zusammensetzung der Sonne herausfinden.
Was kann man aus Spektren von Sternenlicht herauslesen?
Die stoffliche Zusammensetzung – sie hängt von den vorhandenen
Abschnitten im Spektrum ab.
Die Temperatur – mit steigender Temperatur wandert das Strahlungsmaximum in den blauen Bereich.
Magnetfelder – über den Zeeman-Effekt, wenn Spektrallinien aufgespalten werden, weil Energieniveaus unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes verändert werden.
Die Geschwindigkeit – über die Rotverschiebung (Dopplereffekt).
Man erkennt das aus einem Absorptionsspektrum, denn hier sind die
typischen schwarzen Linien verschoben:
...links: Sonne
...rechts: ein weit entfernter Supergalaxienhaufen (BAS11)
Quellen: http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/atomarerenergieaustausch/spektren-verschiedene-typen (30.5.2015)
http://www.mabo-physik.de/sternspektren.ppt (30.5.2015)
http://de.wikipedia.org/wiki/Zeeman-Effekt (31.5.2015)
Katharina