22 Optische Spektroskopie; elektromagnetisches Spektrum

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1 22 Optische Spektroskopie; elektromagnetisches Spektrum Messung der Wellenlänge von Licht mithilfedes optischen Gitters Versuch: Um das Spektrum einer Lichtquelle, hier einer Kohlenbogenlampe, aufzunehmen stellen wir von ihr ein scharf begrenztes Lichtbündel her. Dazu bedienen wir uns eines Lichtquellenspaltes S mit veränderlicher Breite. Ist der Spalt zu breit, so lassen sich auf dem Schirm nur verwaschene Maxima betrachten. Ist der Spalt zu schmal, so wird die Beleuchtungsstärke zu gering. Dieses Foto zeigt den optischen Grundaufbau ohne den etwa weiter entfernten Schirm mit einer Kohlenbogenlampe (Bei dieser wird der überspringende Funke zwischen zwei Elektroden als intensive Lichtquelle verwendet). Es lässt sich das ganze sichtbare Spektrum des Lichts betrachten im Gegensatz zum Linienspektrum Anordnung schematisch Beschreibung: Mit der Kondensorlinse L1 bilden wir die Lichtquelle Q in S und mit einer Linse L2 den Spalt auf einen der Länge a entfernten Schirm ab. Zusätzlich bringen wir in den Strahlengang nach L 2 ein optisches Gitter G wie in 21.4; Ohne es wäre der Lichtstrahl zu breit, die Ränder würden sich überlagern.

2 In der beschriebenen Anordnung wird das Gitter nahezu von parallelem Licht vertikal getroffen, sodass alle Gitterspalte auf selber Wellenfront liegen; das Licht schwingt deshalb in allen Spalten gleichphasig. Betrachtet man nun das Gitterspektrum der Kohlenbogenlampe(B1), erkennt man in der Mitte das weiße Hauptmaximum, die Übrigen k-ter Ordnung rechts und links davon zeigen das kontinuierliche Spektrum der Lichtquelle : B1 Zu Wellenlängenmessungen bedienen wir uns der Spektren 1. Ordnung (=Normalspektren ), da sich die weiteren Spektren bereits teilweise überdecken. Ist der Spalt zu breit, ist das Spektrum zu hell und dessen Auflösung zu schwach wie B2 zeigt: B2 Spektrum bei zu großer Spaltbreite Beispiel: Mit einem optischen Gitte, das 570 Spalte pro Millimeter hat, entstehen nach der obigen Anordnung die Hauptmaxima 1. Ordnung für das äußerste Violett im Abstand d = 1,4 m. Der Schirm ist a = 3,0 m vom Gitter entfernt. Der violette Rand erscheint dann unter dem Winkel α vio : tan α vio = d 2a 1,4m = 6,0m = 13 o

3 Damit ergibt sich: λvio 1 3 o = b sin α vio = mm 10 m sin13 = 399nm 570 Ersetzen wir die Kohlenbogen- durch eine Quecksilberdampflampe wie in B3, dann kann man nur noch ein Linienspektrum betrachten (B4). B4 Charakteristisches Spektrum von Quecksilberdampf B3 Versuchsaufbau mit Quecksilberdampflampe Bringt man ein Gemisch von Gasen zum Leuchten, so emittiert jedes Gas sein charakteristisches, d.h. individuelles Spektrum. Lediglich die Sonnenoberfläche, sehr heiße Gase ( z.b. Kohlenbogen) und glühende feste Körper senden ein lückenloses Spektrum von Violett bis Rot aus ( = kontinuierliches Spektrum). Buch S. 165/ Nr. 4 Um die Überdeckung zu prüfen, berechnen wir den Gangunterschied Maxima : s der jeweiligen Spektrum 1. Ordnung : s = 1 λ = nm s = 1 λ = violett 380 rot 750 nm Spektrum 2. Ordnung: s = 2 λ = nm s = violett λ rot = 1500nm Spektrum 3. Ordnung: s = 3 λ = nm s = violett λ rot = 2250nm Überlappung!

4 Merke: Bei jedem Gitter gibt es eine Überlappung der Maxima 2. und 3. Ordnung! Optische Spektroskopie Aufgabe: Wie sieht das zugehörige Gitter zu folgender Interferenzfigur aus? Antwort: An den Stellen, wo ein engerer Spaltabstand vorliegt, muss der Abstand der beiden Hauptmaxima größer. Das bedeutet, das zugehörige Gitter müsste in etwa so aussehen: Projektion mit Hilfe einer CD: Auch eine Handelsübliche CD kann als Reflektionsgitter zur Erzeugung von Interferenzfiguren benutz werden: CD:

5 Das von links einfallende Licht der Sonne wird von der CD auf die Wand gespiegelt und dabei durch Interferenzerscheinungen aufgespaltet. In diesem Fall bilden die Abstände der Bahnen der CD das Reflektionsgitter DVD: Als Vergleich zur CD das Interferenzabbild einer DVD: Da bei der DVD der Abstand der einzelnen Bahnen enger ist als bei einer CD, vergrößert sich der Abstand der abgebildeten Hauptmaxima Quecksilberdampflampe: Regt man Quecksilber mit Hilfe einer Quecksilberdampflampe zum leuchten an und betrachtet sich anschließend das Gitterspektrum ab, so sehen wir, dass Quecksilber ein sog. Linienspektrum aussendet: Ein solches Linienspektrum ist sozusagen der Fingerabdruck eines jeden Elements, da jedes Element ein anderes Linienspektrum abbildet. Die Intensität der Linien gibt Aufschluss über die Konzentration des Elements, die Lage der Linien wird von der Art des Elements bestimmt. Würden wir das gleiche nun mit Natrium machen, so würden wir nur die für Natrium typische Natrium D Linie sehen, welche von Joseph von Frauenhofer vor über 220 Jahren entdeckt wurde. Die Natur: Vergleicht man den akustischen Aufnahmebereich des menschlichen Gehörs mit dem des Auges, so ist es erstaunlich, dass unser Auge nur

6 Wellenlängen im bereich von 750nm-300nm Länge wahrnehmen kann, wohin gegen unser Gehör Wellenlängen von 16Hz Hz registrieren und an das Gehirn als Töne weiterleiten kann. Dabei sollte man aber nicht vergessen, dass es sich bei den akustischen Wellen um Mechanische Wellen, und nicht wie beim Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Wellenlänge im Wasser: Herr Foucault (bekannt durch sein Pendel mit dem er die rotation der Erde nachwies) fand heraus, dass die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen im Wasser anders ist, als die im Vakuum. Dies kommt daher, da die Lichtgeschwindigkeit c w im Wasser kleiner ist. Dies bedeutet, dass die Interferenzen unter Wasser anders aussehen als im Vakuum, denn für ein Hauptmaximum ist ein kleinerer Gangunterschied nötig. Elektromagnetisches Spektrum a) Infrarote Strahlung Zu Strahlungsmessungen werden häufig empfindliche Thermometer verwendet. Durch die Absorption der Strahlung wird das Thermometer erwärmt. So ist es möglich das Infrarotlicht zu messen, welches an den sichtbaren Bereich Rot anschließt. Zur Erzeugung von Infrarotlicht werden glühende feste Körper verwendet, deren erzeugtes Licht nur zu einem geringen Bruchteil sichtbar ist und der Großteil aus Infrarotlicht besteht. Diese Lichtquellen werden Temperaturstrahler genannt. Die Wellenlängen des infraroten Spektralbereichs erstrecken sich von 800nm bis etwa 1mm. b) Ultraviolette Strahlung Erzeugt man mithilfe einer Quecksilberdampflampe ein Linienspektrum und verwendet als Schirm einen weißes Papier und einen Leuchtschirm, der mit einer fluoreszierenden Substanz bestrichen wurde, so erkennt man, dass auf dem Leuchtschirm neben den violetten Linien noch weitere Linien auftreten. Auf dem Papierschirm erkennt man jedoch nur die violetten Linien. Diese auf dem Leuchtschirm erkennbaren Linien werden ultraviolette (UV-)Linien genannt. Die Wellenlängen des ultravioletten Spektralbereichs erstrecken sich von 360nm bis 10nm c) Übersicht über das elektromagnetische Spektrum Die folgende Übersicht ist nach zunehmenden Frequenzen geordnet. Bestimmte Frequenzbereiche, sie sich auch teilweise überlappen, haben eine gemeinsame Bezeichnung. Außerdem ist angegeben, auf welche Weise die betreffende Strahlung erzeugt und nachgewiesen wird.

7 Für alle elektromagnetische Wellen gilt: 1. An den von der Welle erfassten Punkten erfolgen periodische Veränderungen der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte. Im Gegensatz zu mechanischen Schwingungen darf man sich keine schwingenden Teilchen vorstellen. Man kann sich aber die Schwingung mithilfe der veränderlichen Feldvektoren veranschaulichen. 2. Alle elektromagnetischen Wellen sind Transversalwellen. 3. Alle elektromagnetischen Wellen breiten sich im Vakuum mit der gleichen Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit c, aus. Sie unterscheiden sich nur durch ihre Frequenz f und wegen c = λf auch durch ihre Vakuumwellenlänge λ.

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