WELLENOPTIK

11PS - OPTIK
P. Rendulić 2007
SPEKTREN
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WELLENOPTIK
4
SPEKTREN
4.1
Kontinuierliche Spektren und Linienspektren
Zerlegt man das Licht einer Glühlampe oder das
Sonnenlicht mithilfe eines Prismas (→ 2.5.2), so
entsteht auf einem Schirm ein lückenloses Farbband,
ein kontinuierliches Spektrum. (siehe Figur)
Glühende feste Körper und Gase unter hohem Druck senden
Licht mit einem Kontinuierlichen Spektrum aus.
Wenn man einen Magnesiastab, den man zuvor in eine Salzläsung getaucht hat, in eine
Bunsenbrennerflamme hält, so stellt man fest, dass diese je nach Salz unterschiedlich
farbig aufleuchtet. Auch Gase unter niedrigem Druck können in speziellen Lampen zum
Leuchten angeregt werden (z.B bei Leuchtreklamen: Neon → orange).
Flammenfärbung und leuchtende Gase
Natrium färbt eine Flamme gelb.
Lithium färbt eine Flamme rot.
Leuchtreklame
Erzeugt man mithilfe eines Prismas ein Spektrum dieser leuchtenden Gase, so stellt man
fest, dass es sich um ein diskontinuierliches Linienspektrum handelt. Das
Linienspektrum ist charakteristisch für das Gas, aus dem es entsteht.
Gase unter niedrigem Druck senden farbiges Licht aus. Bei der
Zerlegung dieses Lichts entsteht ein Linienspektrum
Linienspektren unterschiedlicher Gase
Wasserstoff
Helium
Neon
Natrium
Quecksilber
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SPEKTREN
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4.1.1 Spektralanalyse
Wenn man die Spektren vieler Stoffe kennt, kann man die Zusammensetzung eines
unbekannten Stoffgemisches durch eine Spektralanalyse bestimmen. Um eine Stoffprobe
zu analysieren (Chemie, Medizin) wird diese zum Leuchten angeregt und in einem
Spektrometer spektral zerlegt. Durch den Vergleich des ermittelten Spektrums mit
Spektraltafeln, auf denen die Spektrallinien unterschiedlicher Elemente verzeichnet sind,
lassen sich die Bestandteile der Probe ermitteln. Die Spektralanalyse wird aber auch in
der Astrophysik eingesetzt. So kann z.B. mit der Hilfe von Spektren die Zusammensetzung
von Sternen bestimmt werden.
4.2
Infrarot und Ultraviolett
4.2.1 Infrarote Strahlung, IR-Strahlung
In der Nähe eines Heizkörpers oder einer Herdplatte spürt man Wärmestrahlung. Auch in
der Nähe einer Glühlampe oder im Sonnenlicht bemerkt man, dass Wärme abgestrahlt
wird. Diese Wärmestrahlung heißt Infrarotstrahlung
VERSUCH: Mit einer leistungsstarken Halogenlampe
und einem Prisma wird ein breites Spektrum auf einem
Schirm erzeugt. Mit einer Thermosäule wird das
gesamte Spektrum langsam abgetastet. Dabei stellt
man fest, dass der Zeigerausschlag jenseits von Rot
am größten ist.
4.2.2 Ultraviolette Strahlung, UV-Strahlung
Das Licht der Sonne wärmt uns nicht nur, es kann uns auch bräunen oder einen
schmerzvollen Sonnenbrand verursachen. Hierfür ist der energiereiche ultraviolette
Bestandteil des Sonnenlichts verantwortlich.
VERSUCH:
Das
Licht
einer
Quecksilberdampflampe wird mit einem Prisma in
ein Spektrum zerlegt. Der obere Teil des Schirms
ist mit Zinksulfid beschichtet. Auf dieser Schicht
sind jenseits von Violett deutlich helle Linien zu
erkennen.
Der Zinksulfid-Schicht strahlt sichtbares Licht aus,
wenn sie von ultravioletter Strahlung getroffen wird.
4.2.3
Zusammenfassung
Im Spektrum der Sonne und anderer Lichtquellen gibt es jenseits
von Rot die Infrarotstrahlung und jenseits des Violett die
ultraviolette Strahlung. Beide Strahlungsarten sind für das
menschliche Auge unsichtbar.
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4.2.4
SPEKTREN
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Elektromagnetisches Spektrum
Licht ist eine elektromagnetische Welle.
Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen
und magnetischen Feldern. Zu ihnen gehören unter anderem Radiowellen, Mikrowellen,
Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung sowie Röntgen- und Gammastrahlung.
Der einzige Unterschied zwischen diesen Wellentypen liegt in ihrer Frequenz und somit
ihrer Energie.
Bereich
Bezeichnung
Mikrowellen
Lichtartige
Strahlung
105
3 ·104
104
3 ·105
103
Mittelwellen
3 ·106
102
Kurzwellen
3 ·107
101
Ultrakurzwellen, UKW
3 ·108
1
Dezimeterwellen, Radar
3 ·10
9
10-1
Zentimeterwellen
3 ·1010
10-2
Mikrowellen
3 ·1011
10-3
fernes Infrarot
3 ·1012
10-4
nahes Infrarot
3 ·1013
10-5
3 ·1014
10-6
3 ·1015
10-7
3 ·1016
10-8
3 ·1017
10-9
3 ·1018
10-10
harte Röntgenstrahlung
3 ·1019
10-11
γ - Strahlung
3 ·1020
10-12
3 ·1021
10-13
3 ·1022
10-14
3 ·1023
10-15
sichtbares Licht
Ultraviolett
Röntgenstrahlung
Kosmische
Strahlung
Wellenlänge
in m
3 ·103
Langwellen
Radiowellen
Frequenz
in Hz
weiche Röntgenstrahlung
Höhenstrahlung
Zwischen Wellenlänge λ und Frequenz f gibt es den folgenden Zusammenhang: c = λ ⋅ f ,
wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist (c = 3· 108 m/s).
Im elektromagnetischen Frequenzspektrum nimmt das sichtbare Licht einen kleinen
Bereich an (400 nm – 750 nm).
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4.3
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SPEKTREN
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Beugung von Licht
Wenn man Licht durch einen schmalen Spalt
gehen lässt, dann müsste hinter dem Spalt, auf
einem
Schirm,
durch
die
geradlinige
Lichtausbreitung, ein scharf begrenzter Lichtfleck
Strahlenmodell
zu sehen sein. Der Versuch zeigt jedoch, dass
hinter dem Spalt Licht in allen Richtungen
nachweisbar ist.
Diese scheinbare Ablenkung des Lichts aus seiner
geradlinigen Ausbreitungsrichtung ist mit dem
Wellenmodell
Modell Lichtstrahl nicht zu erklären.
Nach dem Wellenmodell ist durch das huygensche Prinzip jeder Punkt einer Öffnung, der
von der Wellenfront getroffen wird, Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich nach
allen Seiten ausbreitet (→ Beugung des Lichts).
Die Ausbreitung des Lichts hinter schmalen Spalten, Kanten und
kleinen Hindernissen auch in Schattenräume hinein wird als
Beugung bezeichnet.
Da die Beugung eine wellentypische Erscheinung ist (sie tritt z.B auch bei Wasserwellen
auf), sagt man, dass das Licht Welleneigenschaften hat.
4.4
Interferenz von Licht
Wie bei Wasser- oder Schallwellen kann auch bei Lichtwellen das Phänomen der
Interferenz beobachtet werden.
Unter Interferenz von Licht versteht man die Überlagerung von
Lichtwellen mit Bereichen der Verstärkung und der
Abschwächung bzw. Auslöschung.
Interferenzmuster sind aber nur unter bestimmten
Bedingungen beobachtbar. Die zu interferierende
Wellen müssen nicht nur die gleiche Frequenz
sondern auch eine feste Phasenlage zueinander
haben. Man sagt, dass die Wellen kohärent sein
müssen.
Am einfachsten lässt sich die Interferenz bei
kohärentem,
monochromatischem
Laserlicht
beobachten.
4.4.1 Interferenz am Doppelspalt
Wenn man 2 eng benachbarte Spalte mit parallelem, kohärentem und
monochromatischem Licht beleuchtet, so können beide Spalte als Zentren von
huygenschen Elementarwellen betrachtet werden. Die beiden Wellensysteme überlagern
sich und ergeben ein stabiles Interferenzmuster mit Maxima (hell) und Minima (dunkel).
(Figur: → siehe 4.4)
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4.4.2 Interferenz am Strichgitter
Man erhält ein optisches Gitter, wenn man anstatt eines Doppelspalts viele Spalte mit
jeweils gleichem Abstand benutzt. Der entscheidende Vorteil des Gitters gegenüber dem
Doppelspalt besteht darin, dass die Maxima beim Gitter wesentlich schärfer ausgeprägt
sind. Dadurch sind genauere Messungen möglich. Charakteristisch für das Gitter ist die
Gitterkonstante. Sie entspricht dem Abstand zweier benachbarter Spalte.
Bei einem Gitter hängt die Lage der Interferenzmaxima von der
Gitterkonstante b und der Wellenlänge λ ab
sin α k =
k⋅λ
b
( k = 0, ± 1, ± 2, ... )
Zwischen den Maxima befinden sich breite dunkle Streifen
k=2
b
k=1
αk
k=0
k =-1
Strichgitter
Schirm
k =-2
Bei sonst gleichen Parametern hängt der Abstand
der Interferenzmaxima von der Wellenlänge λ und
somit von der Farbe des Lichts ab. Da rotes Licht
eine größere Wellenlänge als blaues Licht besitzt,
liegen die Maxima bei Verwendung von rotem
Licht weiter auseinander als bei der Verwendung
von blauem Licht.
Bei der Verwendung von weißem Licht entstehen
daher
farbige
Streifen,
die
man
als
Beugungsspektrum bezeichnet.
Mit einem Gitter kann Licht in seine farblichen Bestandteile
zerlegt werden.
4.4.3
Beispiel: die Compact-Disc
Wenn man eine Compact-Disc
anschaut, kann man, wenn der
Betrachtungswinkel
stimmt,
das
Spektrum der Lichtquelle, welche die
CD beleuchtet, gut sehen. Dies
kommt dadurch zustande, weil die
aus Pits und Lands geformte Spur
wie ein Beugungsgitter wirkt.
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4.5
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SPEKTREN
24
Aufgaben
4.5.1 Spektrum einer Halogenlampe
Anhand eines Gitters mit 600 Strichen je mm wird auf einem 3,5 m entfernten Schirm das
Interferenzbild einer Halogenlampe abgebildet, die weißes Licht mit dem sichtbaren
Bereich [400 nm ... 740 nm] ausstrahlt.
Welche Entfernung besteht auf dem Schirm zwischen dem Anfang und dem Ende des
Spektrums 1. Ordnung? Begleite deine Antwort durch eine erklärende Skizze!