Grundbausteine des Mikrokosmos (5) Die Entdeckung des

Grundbausteine des Mikrokosmos (5)
Die Entdeckung des Wirkungsquantums
Ein weiterer Zugang zur Physik der Atome, der sich als fundamental erweisen
sollte, ergab sich aus der Analyse der elektromagnetischen Strahlung
Experimentell:
Um 1770: Entdeckung der „Wärmestrahlung“ erwärmter, aber noch nicht selbst
leuchtender Körper
1800:
Wilhelm Herschel entdeckt am „roten Ende“ eines durch ein Prisma
erzeugten Spektrums „infrarote Strahlung“, die er mit der Wärmestrahlung
identifizierte
1801:
Johann Wilhelm Ritter entdeckt am „violetten Ende“ des Spektrums die
unsichtbare UV-Strahlung
1814:
Joseph Fraunhofer entdeckt im Sonnenspektrum dunkle Linien, die er mit
den Buchstaben A bis K bezeichnete. Er verwendete ihre reproduzierbaren
Positionen für optische Messungen
In der Folgezeit wurden spektroskopische Untersuchungen an Flammen und später an
elektrischen Funken durchgeführt. Dabei stellte man fest, das typische Flammenfärbungen
(z.B. bei Na, grün bei Cu) mit entsprechend gefärbten Emissionslinien in deren Spektren
einhergeht.
Die Entwicklung der Spektralanalyse durch Kirchhoff und Bunsen
1860: „Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen“
Jedes Element hat ein für sich charakteristisches Linienspektrum.
Entdeckung, daß es Emissions- und Absorptionsspektren gibt
Die Positionen der Emissionslinien
und Absorptionslinien eines Elements
im Spektrum sind immer gleich und
für das Element charakteristisch.
Qualitative Spektralanalyse
William Huggins (1824-1910)
ASTROPHYSIK
Durch Untersuchung von Sternspektren konnte man etwas über den physischen
Aufbau von Sternen und Nebeln erfahren ...
Entdeckung eines neuen Elements im Sonnenspektrum:
(18. August 1868, Jule Jannsen, totale Sonnenfinsternis in Indien)
Helium
1866: Genaue Wellenlängenbestimmung der ersten vier Wasserstofflinien (Alpha – Delta)
1868: Erster genauer Katalog aller Spektrallinien im Sonnenspektrum
(Anders Jonas Angström)
1885: Johann Jakob Balmer findet eine empirische Formel für die Linien des Wasserstoffspektrums:
Johannes Rydberg (1854-1919) entdeckt frappierende Ähnlichkeiten zwischen dem
Wasserstoffspektrum und den Spektren der Erdalkalimetalle. Es gelingt ihm für diese
Elemente ähnliche Serienformeln wie die des Wasserstoffs aufzuschreiben
Wasserstoff
Erdalkali-Elemente mit der Kernladungszahl Z
 Rydbergkonstante:
1908: Ritz‘sches Kombinationsprinzip
Spektren weisen auf quantifizierbare Eigenschaften von Stoffen hin, die bei
deren Atomen angesiedelt zu sein scheinen. Eine Erklärung dafür, wie Spektrallinien überhaupt entstehen, war zu dieser Zeit noch nicht möglich.
Neben dem Linienspektrum beschäftigte man sich auch mit dem dahinter liegenden
Kontinuum. Das erste wichtige Strahlungsgesetz, was dabei gefunden wurde, ist das
Kirchhoff‘sche Strahlungsgesetz:
Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut (und umgekehrt)
Wieviel Strahlung in Abhängigkeit der Temperatur emittiert wird, gibt das
Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz an:
Der „Schwarze Körper“
1859: Gustav Robert Kirchhoff
1893: Willi Wien
Im normalen Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers
verschiebt sich mit veränderter Temperatur jede Wellenlänge
so, daß das Produkt aus Temperatur und Wellenlänge konstant
bleibt.
Auer-Licht
Carl Auer von Welsbach (1858-1929)
erfand 1885 den Glühstrumpf
Edison-Glühlampe
Thomas Alva Edison (1847-1931)
erfand 1879 die Glühfadenlampe
Die weitere technische Verbesserung der neuen sensationellen Leuchtmittel
setzt ein genaues physikalisches Verständnis ihrer Funktionsweise voraus,
weshalb viel Forschungsarbeit in die theoretische Begründung der spektralen
Energieverteilung eines Schwarzen Körpers gesteckt wurde.
Deutschland: Physikalisch-Technische Reichsanstalt
Problemstellung: Ableitung der spektralen Energieverteilung eines Schwarzen Körpers
in Abhängigkeit seiner Temperatur
Rayleigh / Jeans:
ULTRAVIOLETTKATASTROPHE
Wien‘sches Strahlungsgesetz
Sehr gute Übereinstimmung bei
kurzen Wellenlängen; größere
Abweichungen bei längeren
Wellenlängen ...
„Erratenes“ Planck‘sches Strahlungsgesetz
Boltzmannsche Theorie und Ableitung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes
Ludwig Boltzmann (1844-1906) - begründet die statistische
Theorie der Entropie
Ein irreversibler Prozeß ist der Übergang eines Systems
von einem Zustand bestimmter Wahrscheinlichkeit in
einen wahrscheinlicheren Zustand. Der Logarithmus
der Wahrscheinlichkeit eines Zustandes stimmt bis
auf einen konstanten Faktor mit der Entropieänderung
des Zustandes überein.
Boltzmann-Verteilung
𝑆 = 𝑘 log 𝑤
𝐸 = 𝑘𝐵 𝑇
𝐸 = ℎ𝜈
Anwendung auf die
Hohlraumstrahlung
Max Planck (1900):
Thermisches Gleichgewicht
Max Planck (1858-1947)
Die Ableitung seiner schon zuvor „erratenen“ Strahlungsformel gelang nur unter
der Bedingung, daß die Oszillatoren (die man klassischerweise als Quellen der
elektromagnetischen Wellen annahm) Energie nur in ganzen „Portionen“ an das
Strahlungsfeld abgeben können:
𝐸 =𝑛ℎ𝜈
„heute“ n = Anzahl der Photonen mit der Energie ℎ 𝜈
pro Strahlungsmode
Der Proportionalitätsfaktor h hat die Einheit „Energie mal Zeit“ und ist somit
eine Wirkung (Energie durch Zeit ist eine Leistung)