SPEKTRUM. Bilden Sie zu Beginn des Beispieles eine Blende oder einen Spalt ab und studieren Sie die Eigenschaften

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Florian Kramer
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1 SPEKTRUM Bilden Sie zu Beginn des Beispieles eine Blende oder einen Spalt ab und studieren Sie die Eigenschaften dieser Abbildung. Wie hängen Bildgröße und Brennweite der Abbildungslinse zusammen? Wie erreichen Sie die gleichmäßigste Ausleuchtung bei kleinsten Abbildungsfehlern? Andererseits sollen Sie (für lichtschwache Effekte) größtmögliche Helligkeit des Bildes erreichen. Überlegen Sie die Aufstellungsmöglichkeiten an Hand des Strahlenganges und bauen Sie erst dann die Anordnung auf. Dispersion: Demonstrieren Sie die Dispersion als Materialeigenschaft durch die verschiedene Aufspaltung der Spektralfarben bei Verwendung von Prismen aus verschiedenem Material (Kronglas, Flintglas, Schwefelkohlenstoff). Überlegen Sie, wie ein Geradsichtprisma und wie ein achromatisches Prisma aufgebaut ist. Zeigen Sie mit Hilfe einer Anordnung gekreuzter Prismen, dass Spektralfarben nicht weiter zerlegt werden können. Überlegen Sie, warum bei diesem Experiment anstelle einer Spaltblende eine Lochblende verwendet werden muss. Die verschiedene Form der Dispersionskurven bei den verwendeten Prismenmaterialien bewirkt eine Krümmung des Spektrums am Schirm. Zeigen Sie die Möglichkeit zur Wiedervereinigung der Spektralfarben zu weiß durch eine Linse, am besten durch eine Zylinderlinse. Eine weitere Möglichkeit der Wiedervereinigung der Spektralfarben zu weiß stellt das Drehspiegelverfahren dar. Kontinuierliche Spektren: Festkörper emittieren elektromagnetische Strahlung bei allen Frequenzen - auch im infraroten und im ultravioletten Spektralbereich (wieso?). Untersuchen Sie die Energieverteilung (Abhängigkeit der Strahlungsenergie von der Frequenz) im Spektrum mit einer Thermosäule. Linienspektren: Angeregte Gase emittieren elektromagnetische Strahlung nur bei bestimmten, diskreten Frequenzen (Linienspektrum). Zeigen Sie die Linienspektren von Quecksilberdampf und von Natriumdampf. Zeigen Sie soweit möglich, auch die Linien im infraroten und im ultravioletten Spektralbereich. Spektren im absorbierten Licht. Demonstrieren Sie die Linienabsorption gasförmiger Körper: a) Absorptionslinien von glühendem Natriumdampf b) Absorption des Lichtes einer Natriumlampe in Natriumdampf, sowie Schatten einer Natriumflamme c) Fluoreszenzlicht im Natriumdampf Überlegen Sie, was in diesen Anordnungen geschieht! Die Frauenhofer'schen Linien (Absorptionslinien im Spektrums des Sonnenlichtes) kann man z.b. mit einem "Taschenspektroskop" beobachten. Viele feste und flüssige Körper haben Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich. Sie zeigen Absorp-

2 tion nur für bestimmte Frequenzwerte (Molekülspektren sind Bandenspektren). Wann ist ein Körper undurchsichtig? Lumineszenz Fluoreszenz und Phosphoreszenz: Demonstrieren Sie die Quecksilberlinien im ultravioletten Spektralbereich auf einem Fluoreszenzschirm. Warum können Linien im infraroten Spektralbereich auf dem Fluoreszenz-Schirm nicht sichtbar gemacht werden? Zeigen Sie die Absorption in Farbstoffen mit verschiedenen Moleküllängen. Versuche zur Farbenlehre: Demonstrieren Sie die Abhängigkeit von Reflexionsvermögen und Durchlässigkeit von der Frequenz des Lichtes (Körperfarben). Untersuchen Sie farbige Körper (z.b. farbiges Papier) in weißem Licht und im Licht verschiedener Spektralfarben. Zeigen Sie das Spektrum von Glühlampen und von Leuchtstoffröhren und erklären Sie, warum Körperfarben im Licht von Leuchstoffröhren anders erscheinen als im Licht von Glühlampen. Zeigen Sie die subtraktive Farbmischung mit Hilfe geeigneter Filter und die additive Farbmischung sowohl mit Filtern als auch mit Hilfe eines Farbkreisels. Mischung von Spektralfarben und Demonstration der spektralen Zusammensetzung einer Mischfarbe (Abb. 1) Die Blende hinter dem Geradsichtprisma ist eine Doppelblende (ein Kreis und ein Quadrat befinden sich übereinander). Wird an der Stelle, wo im Verlauf der Abbildung das Spektrum entsteht ("Spektrum l"), ein Teil des Spektrums mit einem Spiegelstreifen ausgeblendet, so sieht man am Schirm das Bild der Kreisblende farbig (Mischfarbe). Mit Hilfe einer Zylinderlinse kann das Bild des Spektrums (mit dem ausgeblendeten Streifen) auf den Schirm abgebildet werden. Verschieben Sie den Spiegelstreifen in die Ebene des Spektrums 1 und beobachten Sie die Farbänderung). Anstelle der Doppelblende wird nun eine Lochblende verwendet. Mit Hilfe eines zweiten Spiegelstreifens bzw. Prismas kann nun ein weiterer Spektralbereich aus dem Spektrum ausgeblendet werden. Benützen Sie den ausgeblendeten Spektralbereich zur Abbildung der Lochblende auf den Schirm (Vergleiche Strahlengang Abb. 2). Vorbereitungsstoff: Elektromagnetische Wellen, Benennung und Wirkungen von elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Wellenlängenbereichen, Strahlungsgesetze, schwarzer Körper. Grundbegriffe der geometrischen Optik. Normale und anomale Dispersion (Resonanz), Gruppen- und Phasengeschwindigkeit.

3 Grundlagen der Atomphysik, Quantenzahlen, Quantenübergänge (Linienspektren), Feinstruktur, Zeemann-Effekt, Farbenlehre, Farb- und Schwarz/Weiß- Sehen), Funktionsweise und physikalische Grundlagen der verwendeten Geräte, Kenntnis der ausgegebenen Gerätebeschreibungen. Verwendete Geräte: Prismen, Linsen, Spektralapparate, Reuterlampe, Gasentladungslampen, Fluoreszenzschirm, Thermosäule mit Mikrovoltverstärker Literatur: Lehrbücher der Experimentalphysik. Eine genaue Darstellung der Dispersion und der Farbenlehre findet man z.b. in Bergmann-Schäfer- Matossi III (Praktikumsbibliothek) Ausführlichere Bücher zur Atomphysik: Finkelnburg "Einführung in die Atomphysik" (Praktikumsbibliothek) Schpolski "Atomphysik" (ZB 7233) Zur Farbenlehre: Feynman "Lectures on Physics" (ZB 14263)

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