Vor mehr als 200 Jahren zerlegte der Münchener Optiker Josef von FRAUNHOFER (1787-1826) mit einem Prisma das Sonnenlicht in seine Spektralfarben. Er wollte eigentlich die Lichtbrechung von bestimmten Glassorten untersuchen, die er in seinen Fernrohren verwenden wollte, aber er machte eine ganz andere Entdeckung, die die Grundlage einer der wichtigsten Methoden der Naturwissenschaften werden sollte: Die Spektrometrie.
Aufbau und Durchführung
- Schiebe langsam das geschlossene Rollo vor dem Fenster hoch und beobachte das das Spektrum auf dem Monitor.
- Vergrößere das Spektrum durch Anklicken und betrachte seine Form bzw. Struktur.
- Blende in das Spektrum die FRAUNHOFER-Linien ein. Das sind die Absorptionslinien, die Josef von FRAUNHOFER selbst gefunden und dokumentiert hat.
Abb. 2 Fraunhoferlinien im Sonnenspektrum (© 2019, Freie Universität Berlin | AG Didaktik der Physik in Zusammenarbeit mit QUA-LiS NRW)
Beobachtung
Aufgabe
Vergleiche das Spektrums des Sonnenlichts mit dem Spektrum einer Glühlampe in Abb. 3.
Vergleiche das Sonnenspektrum mit den eingeblendeten FRAUNHOFER-Linien.
Die Sonne besteht wie alle Sterne im Innern aus einem heißen, dichten Gas, in dem ein sehr hoher Druck herrscht. Dementsprechend wird dort ein kontinuierliches Spektrum ähnlich dem der Glühlampe erzeugt.
Nach außen hin nehmen Druck, Dichte und Temperatur stark ab. Dieses kühlere Gas in der Sternatmosphäre prägt nun dem Kontinuum sein Absorptionsspektrum auf. Die Atome absorbieren dort die zu ihrem Linienmuster passenden Wellenlängen des Lichts, das aus dem Sterninneren nach außen strahlt. Zwar senden die Atome der Sternatmosphäre die aufgenommene Energie infolge der Rücksprünge der Elektronen wieder aus, dies erfolgt jedoch nicht in eine bevorzugte Richtung. Somit wird das Licht dieser Wellenlängen erheblich geschwächt, wodurch bei den zugehörigen Bereichen im Spektrum dunklere Bereiche (eben die Absorptionslinien) auftreten.
Schließlich muss das Sonnenlicht noch die Erdatmosphäre durchdringen. Auch in ihr werden Wellenlängen von den Gasen in der Erdatmosphäe absorbiert, so dass weitere Absorptionslinien, sogenannte "tellurische Linien" hinzukommen.
Diese Theorie lässt sich recht gut mit dem folgenden IBE überprüfen.
Abb. 4 Vergleichsspektren (© 2019, Freie Universität Berlin | AG Didaktik der Physik in Zusammenarbeit mit QUA-LiS NRW)
Beobachtung
Aufgabe
Blende die FRAUNHOFER-Linien (insbesondere mit den \(\rm{C}\), \(\rm{F}\), \(\rm{G'}\) und \(\rm{h}\)-Linien vom atomaren Wasserstoff (\(\rm{H}\))) , das \(\rm{He}\)-Spektrum, das \(\rm{H_2}\)-Spektrum und das \(\rm{Na}\)-Spektrum ein.
Entscheide, welche Elemente sich möglicherweise in der Sonnenatmosphäre befinden.
Wenn das Sonnenspektrum vom Weltraum außerhalb unserer Erdatmosphäre aus aufgenommen wird, verschwinden die FRAUNHOFER-Linien A, B und a.
Erläutere diesen Befund.
Ergebnis
Die FRAUNHOFER-Linien sind im engeren Sinne eine Reihe von mit Buchstaben bezeichneten Absorptionslinien im Spektrum der Sonne.
Diese Linien entstehen überwiegend durch Resonanzabsorption der Gase in der Sonnen-Photosphäre, teilweise aber auch durch Absorption an den Gasen der Erdatmosphäre (sog. "tellurische Linien").
Die FRAUNHOFER-Linien erlauben Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und anderer Sterne. Ihre Entdeckung markiert den Anfang der Spektralanalyse, die eines der wichtigsten Werkzeuge der Chemie und der Astronomie ist.