KAISERSLAUTERN. Untersuchung von Lichtspektren. Lampen mit eigenem Versuchsaufbau. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

Transkript

1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht KAISERSLAUTERN Untersuchung von Lichtspektren bei verschiedenen Lampen mit eigenem Versuchsaufbau Johannes Kührt Schule: Burggymnasium Burgstraße Kaiserslautern Jugend forscht 2010

2 Untersuchung von Lichtspektren bei verschiedenen Lampen mit eigenem Versuchsaufbau Jugend-Forscht Arbeit von Johannes Kührt Fach: Physik Schule: Burggymnasium Kaiserslautern Klassenstufe: 9 Begleitende Lehrkraft: Frau Färber

3 Inhaltsverzeichnis 1. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 2. VERWENDETE GERÄTE 3. EXKURS: WIRKUNG EINES OPTISCHEN GITTERS 4. BEOBACHTUNGEN BEI DEN LICHTSPEKTREN 5. ERLÄUTERUNGEN ZU DEN SPEKTREN 6. QUELLENANGABE 2

4 1. Physikalische Grundlagen Spektren begegnen wir sehr häufig, z.b. bei einem Regenbogen auf der Rückseite einer CD, wenn man sie ins Licht hält wenn Licht auf ein Prisma oder einen geschliffenen Kristall trifft. Unser Sonnenlicht erscheint uns normalerweise als farblos. Es besteht jedoch aus vielen verschiedenen Farben, die wir in solch einem Spektrum sehen können. Zu dieser Erkenntnis gelangte als Erster Isaac Newton, der die Entstehung der Spektralfarben untersuchte. Diese Theorie war damals allerdings sehr umstritten, denn damals galt Weiß als die Farbe der Unschuld und Reinheit. Man konnte sich nicht vorstellen, dass darin weniger reine oder sogar düstere Farben enthalten sein sollen. Goethe stellte noch 100 Jahre später eine Newton widersprechende Theorie auf: Beim Betrachten von schwarz-weißen Übergängen durch ein Prisma entdeckte er die so genannten Kantenspektren. Seine Erklärung war, dass die Farben aus der Mischung aus schwarz und weiß entstehen müssten. Heute wissen wir, dass Newtons Ansatz richtig war und neben den sichtbaren Farben sogar noch unsichtbare Bestandteile im weißen Licht enthalten sind wie das infrarote und das ultraviolette Licht. Nun stellt sich die Frage, warum diese Spektralfarben beim Durchgang durch ein Prisma sichtbar werden. Die Ursache liegt darin, dass beim Auftreffen auf das Glas die verschiedenen Farben unterschiedlich stark gebrochen (violett stärker als rot) werden, wenn der Eintrittswinkel groß genug ist (siehe unteres Diagramm). Beim Austritt aus dem Glas wird der Effekt durch den Schliff verstärkt und die Farben treten aufgefächert aus (siehe untere Abbildung). So bin ich auf die Idee gekommen, das Licht verschiedener Lampen in deren Spektralfarben zu zerlegen und auf Unterschiede zu untersuchen. Hierbei verwendete ich einen eigenen Versuchsaufbau, mit dessen Hilfe man das Licht zerlegen und das Spektrum untersuchen kann. 3

5 2. Verwendete Geräte Für meine Versuche habe ich zunächst eine normale Glühbirne benutzt. Dann habe ich meine Experimente auf eine Energiesparlampe und später auf Leuchtdioden in verschiedenen Farben ausgeweitet, um eventuell Unterschiede festzustellen. Außerdem habe ich auch die Spektren einer Halogenlampe, einer Kerze und einer Leuchtstoffröhre untersucht. Um einen möglichst dünnen Lichtstrahl zu bekommen, habe ich einen Spalt oder ggf. eine konvexe Linse eingebaut, bevor das Licht zerlegt wurde. Bei der Linse musste ich zu allererst die Lampe auf die Projektionsfläche abbilden. Das Wichtigste an der Apparatur allerdings war der Teil, mit dem ich das Licht zerlegt habe. Zu Beginn habe ich ein Dreiecksprisma bzw. ein Stabprisma verwendet. Allerdings habe ich damit kein exaktes und sauberes Spektrum erhalten, weil der Eintrittswinkel des Lichts groß sein muss und damit die Anordnung immer genau ausgerichtet sein muss. Kleinste Änderungen werden sofort registrierbar. Da ich aber eine robuste Versuchsanordnung haben wollte, die man auch jederzeit mitnehmen und ohne großen Aufwand einsetzen kann, habe ich es auf Ratschlag meiner betreuenden Lehrerin, Frau Färber, mit einem Gitter probiert. Damit hat es besser geklappt. Dessen physikalischen Hintergrund werde ich im Anhang näher erläutern. Die Anregung von Frau Färber nutzend wollte ich eine möglichst einfache Anordnung verwenden. So kam ich auf die Idee, das Licht durch eine CD zu strahlen, deren bedruckbare Schicht ich entfernt hatte. Am Ende habe ich dann eine Projektionsfläche eingebaut, auf der man das Spektrum sehen sollte. Ein Problem besteht jedoch darin, dass ich die Versuche entweder in einem dunklen Raum durchführen musste oder die Versuchsapparatur in einen Karton einbauen musste, denn ansonsten wäre das Ergebnis durch das Licht der Umgebung verfälscht worden. Eine clevere Lösung ist, einen Fotoapparat zu verwenden, vor dessen Objektiv eine entsprechende CD angebracht wird. Dann kann das entstehende Spektrum sogar gleich festgehalten und untersucht werden. 4

6 3. Exkurs: Wirkung eines optischen Gitters Bei meinen Versuchen hat sich ein Gitter eher bewährt als ein Prisma. Als ich mich optischen Gittern beschäftigt habe, fand ich ihre Wirkungsweise viel komplizierter als beim Prisma: Licht verhält sich wie eine Welle. Man kann sich das so ähnlich wie bei dem Erzeugen von Wellen in Wasser vorstellen. In Abbildung 1 ist die kreisförmige Ausbreitung einer Welle dargestellt, wie sie bei einer punktförmigen Lichtquelle vorhanden ist. Abbildung 0 Trifft eine sich linear ausbreitende Welle auf einen Spalt, verändert sich ihr Wellenbild. Ab dem Spalt beginnen sich die Wellen neu zu verteilen nun erfolgt die Ausbreitung wieder kreisförmig (siehe Abbildung 2). Werden nun mehrere Spalte eingebaut, so kommt es zu Überlagerungen (Interferenz) der Lichtwellen. Dabei gibt es Orte, an denen sich die überlagerten Wellen gegenseitig verstärken (Maxima) und solche, wo sie sich gegenseitig auslöschen (Minima). Wo diese Orte liegen, hängt von der Wellenlänge ab. In Abbildung 3 sieht man, wie sich zwei kreisförmig ausbreitende Wellen überlagern. Abbildung 0 Abbildung 0 In einem Gitter sind nun sehr viele solcher kleinen Spalte, die dafür sorgen, dass es zu ganz vielen Überlagerungen kommt. Dabei haben die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts ihre Maxima und Minima an unterschiedlichen Stellen. So kommen die Spektren zustande. Je enger die Spalte bei einander sind, umso stärker tritt der Effekt auf. Damit auf eine CD nun Tausende Bytes passen, müssen hier sehr dünne Rillen vorhanden sein. Diese Rillen wirken wie ein Gitter, da an manchen Stellen das Licht gut hindurch kommt, an anderen weniger gut. Bei mir trifft das Licht von vorn auf die CD und wird durch die vielen Spalte in Spektren zerlegt, die dann gleich mit dem Fotoapparat aufgezeichnet werden. 5

7 4. Beobachtungen bei den Lichtspektren Lampe Glühlampe Spektrum Energiesparlampe Die Farben gehen kontinuierlich ineinander über. Der gelbe Bereich ist wenig ausgeprägt und nur schwer zu erkennen. blaue Leuchtdiode Nur einzelne Farben sind zu erkennen. Auffällig ist die intensive grüne und rote Linie. Halogenlampe Bei dieser Lichtquelle sieht man nur den Blau und einen geringen Anteil Grün. Das Spektrum ist kontinuierlich. Leuchtstoffröhre Hier sieht man ein sehr intensives, kontinuierliches Spektrum. Wieder ist Gelb nur schwach ausgeprägt. Kerzenflamme Bei der Leuchtstoffröhre gehen die Farben nicht kontinuierlich ineinander über. Hier erkennt man auch einen starken Rot- und Grünbereich. Bei einer Kerzenflamme gehen die Farben wieder kontinuierlich ineinander über. 6

8 5. Erläuterungen zu den Spektren Die verschiedenen Lampen kann man in zwei Gruppen einteilen: kontinuierliches Spektrum: die Farben gehen direkt ineinander über. Beispiele: Glühlampe, Kerzenflamme, Halogenlampe, LED und Sonnenlicht. diskretes Spektrum: hier besteht kein kontinuierlicher Übergang zwischen den Farben. Beispiele: Leuchtstoffröhre, Energiesparlampe Diese Unterschiede kann man wie folgt erklären: Bei einer Glühlampe wird Licht in allen möglichen Wellenlängen ausgesendet. Bei Leuchtstoffröhren oder Energiesparlampen entsteht das Licht beim Übergang der Elektronen im Leuchtgas (z.b. Neon) zwischen charakteristischen Energieniveaus. Dabei wird immer Licht mit für den betreffenden Stoff charakteristischen Wellenlängen ausgesendet (emittiert). Deshalb spricht man auch von Emissionsspektren. Sehr gut kann man das an unserer Wohnzimmerlampe erkennen, in die eine Glühlampe und drei Energiesparlampen geschraubt sind: Das Licht von Energiesparlampen wird oft als kalt empfunden. Dies liegt daran, dass der blaue Anteil im Spektrum sehr intensiv ist. Bei Leuchtdioden sehen wir immer nur einen Teil des Spektrums. Ist eine LED blau, so können wir nur die Farben blau und grün in einem kontinuierlichen Spektrum wahrnehmen. Die Farbe einer Leuchtdiode hängt davon ab, welche Halbleiterstoffe man benutzt. Halbleiter sind Stoffe, die sowohl als Leiter von Strom als auch als Nichtleiter eingestuft werden können. Je nach dem welchen Halbleiter man benutzt (z.b. Galliumphosphid oder Alluminiumgalliumarsenid) erhält die Diode diese Farbe. Also sind diese Stoffe auch verantwortlich für die Farben, die man später im Spektrum erkennt. Die Farbe der Lampe wird durch die Farbe mit der größtmöglichen Intensität im Spektrum bestimmt. Vom tatsächlichen Spektrum einer Lampe nimmt man nur einen sehr kleinen Teil wahr. An Violett schließt sich der unsichtbare Ultraviolettbereich an. Nach Rot folgt das ebenfalls nicht sichtbare Infrarot. 7

9 6. Quellenangabe Physik für Gymnasien (C1) Cornelsen 8