Glühende feste Körper und Gase unter hohem Druck senden Licht mit einem Kontinuierlichen Spektrum aus.

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1 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN 19 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

2 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN 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 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 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 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.

3 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN 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 Radiowellen Mikrowellen Lichtartige Strahlung Röntgenstrahlung Kosmische Strahlung Bezeichnung Frequenz in Hz Wellenlänge in m Langwellen Mittelwellen Kurzwellen Ultrakurzwellen, UKW Dezimeterwellen, Radar Zentimeterwellen Mikrowellen fernes Infrarot nahes Infrarot sichtbares Licht Ultraviolett weiche Röntgenstrahlung harte Röntgenstrahlung γ - Strahlung Höhenstrahlung Zwischen Wellenlänge λ und Frequenz f gibt es den folgenden Zusammenhang: wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist (c = m/s). c = λ f, Im elektromagnetischen Frequenzspektrum nimmt das sichtbare Licht einen kleinen Bereich an (400 nm 750 nm).

4 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN 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 zu sehen sein. Der Versuch zeigt jedoch, dass Strahlenmodell hinter dem Spalt Licht in allen Richtungen nachweisbar ist. Diese scheinbare Ablenkung des Lichts aus seiner geradlinigen Ausbreitungsrichtung ist mit dem Modell Lichtstrahl nicht zu erklären. Wellenmodell 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 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)

5 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN 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 k λ sin α k = ( k = 0, ± 1, ± 2,... ) b Zwischen den Maxima befinden sich breite dunkle Streifen k = 2 b k = 1 α k k = 0 Strichgitter k =-1 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 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.

6 11PS - OPTIK P. Rendulić 2007 SPEKTREN Aufgaben 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 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!