Physik: Spektrum der Sonne

[Dexter]

Hi,

in der letzten physikstunde wurde uns erzählt, dass das spektrum eines leuchtenden gases ein linienspektrum mit leeren zwischenräumen, das spektrum fester, leuchtender körper ein kontinuierliches spektrum sei. auf meine frage, warum die sonne dann kein linienspektrum aufweise, wusste unser lehrer auch keinen rat. er tippte als grund zwar auf die tatsache, dass noch andere stoffe als gase in der sonne enthalten seien, bat mich aber zu versuchen eine, nicht nur gemutmaßte, antwort zu finden. leider bin ich bei meiner suche nicht wirklich fündig geworden, deswegen meine frage an dieser stelle, ob mir vllt jemand eine plausible antwort nennen könnte ;)

vielen dank für die mühe ;)

dexter

[Magnum]

Ich hab hier folgenden Ausschnitt gefunden:

Materie kann Licht aussenden bzw. absorbieren: Indem sie untersuchten, wie dies durch die Gasatome bewerkstelligt wird, fanden Kirchhoff und Bunsen Informationen ueber Zusammensetzung, Temperatur und Dichte des Gases heraus. Und sie fanden 3 experimentelle Regeln:
[list=1]
Regel 1 : Ein heisses, undurchsichtiges, kompaktes Gas emittiert ein kontinuierliches Spektrum.
Regel 2 : Ein heisses, durchsichtiges Gas erzeugt ein Emissionsspektrum mit hellen Linien. Die Anzahl und die Farben der Linien haengen davon ab, welche Elemente vorhanden sind. So wird quasi eine Fingerabdruck-Identitaet des Gases bewirkt.
Regel 3 : Wenn kontinuierliches Licht durch ein Gas niedrigerer Temperatur strahlt, werden vom kuehleren Gas dunkle Absorptionslinien erzeugt, deren Anzahl und Farbstellung von der Stoffzusammensetzung des Gases abhaengt.
[/list=1]

Die Sonne fällt unter Regel 1 und sendet demnach ein kontinuierliches Spektrum aus!

P.S.: Warum ist dieser Thread in "I want to believe"?

[Dexter]

oh vielen dank, ging ja schnell :D


P.S.: Warum ist dieser Thread in "I want to believe"?

würd mich auch interessieren

[Korak]

Weil sowas hier hin gehört, deswegen isses wohl hierdrin ;)

[Vedek Bareil]

Fall sich jemand für die physikalische Ursache für die Diskretheit/Kontinuität der Spektren interessiert :)

Daß ein dünnes Gas ein Spektrum aus schmalen Linien aufweist, geht darauf zurück, daß wenn man einzelne, voneinander isolierte Atome betrachtet, die Elektronen in jedem Atom nur ganz bestimmte Energieniveaus besetzen können. Bei der Emission/Absorption von Licht wechselt nun ein Elektron zwischen zwei solchen Niveaus und emittiert/absorbeit dabei ein Photon mit der entsprechenden Energiedifferenz. Da es nur ganz bestimmte Niveaus gibt, sind auch nur ganz bestimmte Photonenenergien möglich, und damit nur ganz bestimmte Frequenzen für das Licht, die gerade den beobachteten Linien entsprechen.

Hat man nun aber ein dichtes, unter hohem Druck stehendes Gas mit hoher Temperatur, so treten zwei Effekte auf, die zu einer Linienverbreiterung führen:

- die Gasatome/-moleküle bewegen sich mit hohen Geschwindigkeiten. Viele fliegen gerade schnell vom Beobachter weg, so daß das von ihnen emittierte Licht rotverschoben, und damit in der Frequenz vermindert ist. Andere bewegen sich schnell auf den Beobachter zu, was eine Blauverschiebung respektive Erhöhung der Frequenz zur Folge hat. Wieder andere Atome bewegen sich gerade gar nicht oder senkrecht zur Sichtlinie, so daß ihr Licht kaum oder gar nicht verschoben ist.
Der Beobachter empfängt daher von dem Gas sehr viele verschiedene Frequenzen.

- die Atome/Moleküle stoßen sehr häufig zusammen. Dadurch vermindert sich die mittlere Verweildauer der Elektronen auf den höheren Energieniveaus, d.h. sie fallen schneller auf niedrigere Niveaus zurück. Aufgrund der Energie-Zeit-Unschärfebeziehung ist die Energie der dabei emittierten Photonen mit einer Unschärfe behaftet. Je kürzer die mittlere Lebensdauer eines angeregten Niveaus wird, desto größer wird diese Energieunschärfe, und damit die Frequenzunschärfe (=Linienbreite) des Lichts.

Sind Dichte, Druck und Temperatur des Gases groß genug, so werden die Spektrallinien so weit verbreitert, daß das Spektrum zu einem Kontinuum wird.

Etwas anders verhält es sich bei Festkörpern. Deren Spektrum ist ebenfalls kontinuierlich, die Ursache ist jedoch eine andere. Die Atome eines Festkörpers bewegen sich ja schließlich kaum und kollidieren auch entsprechend selten ;)
Die diskreten Energieniveaus von Elektronen in Einzelatomen erhält man für gewöhnlich dadurch, daß man die Schrödinger-Gleichung für ein Elektron im elektrischen Feld eines einzelnen Atomkerns löst. Sobald man aber nicht mehr nur ein einziges Atom hat, sondern derer ganz viele, muß man in die Schrödinger-Gleichung das Feld von ganz vielen Kernen statt nur einem einzigen einsetzen.
Solange der mittlere Abstand zwischen den Kernen groß genug ist, ergeben sich dabei die gleichen diskreten Energieniveaus wie bei einem Einzelatom.
Sind die Atome aber dicht genug zusammen (und in einem Festkörper sind sie das), so fächert jedes Niveau in ein Quasikontinuum von ganz vielen dicht beisammenliegenden Niveaus auf. Ein derart aufgefächertes Niveau bezeichnet man als Energieband (das Valenz- und Leitungsband in einem elektrische Leiter oder Halbleiter sind z.B. zwei solche Bänder).
Dementsprechend hat dann auch die Energie der bei Übergängen emittierten Photonen ein quasikontinuierliches Spektrum.

[Amarok]

Die Sonne weist sehr wohl Linien in seinem Spektrum auf. Wundert mich ehrlich gesagt, dass das dein Physiklehrer nicht weiß. Sie haben sogar einen eingenen Namen: Frauenhofer-Linien

[Magnum]

Originally posted by Amarok
Die Sonne weist sehr wohl Linien in seinem Spektrum auf. Wundert mich ehrlich gesagt, dass das dein Physiklehrer nicht weiß. Sie haben sogar einen eingenen Namen: Frauenhofer-Linien
Aber Vorsicht! Die Fraunhofer-Linien, sind keine Spektrallinien wie sie ein normales Gas aussendet. Sie entstehen hier nämlich durch Absorption, d.h. sie sind schwarze Linien in einem sonst kontinuierlichem Spektrum!

[Dexter]

Originally posted by Amarok
Die Sonne weist sehr wohl Linien in seinem Spektrum auf. Wundert mich ehrlich gesagt, dass das dein Physiklehrer nicht weiß. Sie haben sogar einen eingenen Namen: Frauenhofer-Linien

ich meine, dass er das sogar erwähnt hat, allerdings ging es ja nicht um einzelne "störungen" des spektrums, sondern darum, dass es sich offensichtlich eher um eines eines leuchtenden festkörpers und nicht um das eines gases (wobei im unterricht nicht auf temperatur, druck etc eingegangen wurde) handelt. gezeigt wurden uns nur die spektren einer normalen glühlampe und einer quecksilberdampflampe.
ob mein lehrer nun weiss, dass das spektrum eines gases u.a. von seiner temperatur, druck... abhängt kann ich nicht sagen, werd ihn mal fragen ;)
auf jedenfall erstmal vielen dank für eure antworten speziell an Vedek Bareil, der mir seinen halben tag geopfert hat ;)

dexter

[Aragon]

Originally posted by Vedek Bareil
Fall sich jemand für die physikalische Ursache für die Diskretheit/Kontinuität der Spektren interessiert :)
...

Sehr interessante und informative Zusammenfassung. Danke.

mfG
Helmut

[Amarok]

Originally posted by Dexter


ich meine, dass er das sogar erwähnt hat, allerdings ging es ja nicht um einzelne "störungen" des spektrums, sondern darum, dass es sich offensichtlich eher um eines eines leuchtenden festkörpers und nicht um das eines gases (wobei im unterricht nicht auf temperatur, druck etc eingegangen wurde) handelt. gezeigt wurden uns nur die spektren einer normalen glühlampe und einer quecksilberdampflampe.
ob mein lehrer nun weiss, dass das spektrum eines gases u.a. von seiner temperatur, druck... abhängt kann ich nicht sagen, werd ihn mal fragen ;)
auf jedenfall erstmal vielen dank für eure antworten speziell an Vedek Bareil, der mir seinen halben tag geopfert hat ;)

dexter
Die Sonne selbst kann man nicht als "festen körper" bezeichnen", eigentlich auch nicht als "Gas", sondern eher als eine Art "Plasma". Sprich ihn einmal darauf an.

[Amarok]

Originally posted by Magnum

Aber Vorsicht! Die Fraunhofer-Linien, sind keine Spektrallinien wie sie ein normales Gas aussendet. Sie entstehen hier nämlich durch Absorption, d.h. sie sind schwarze Linien in einem sonst kontinuierlichem Spektrum!
Stimmt, nur löscht ein Gas eben genau dann die gewisse Wellenlänge aus in dem es leuchtet wenn es heißer wäre. Und die Oberfläche der Sonne ist eben zu kalt, deshalb auch die Auslöschung.

Aber du hast recht, ist nicht genau das Selbe.

[Dexter]

Originally posted by Amarok

Die Sonne selbst kann man nicht als "festen körper" bezeichnen", eigentlich auch nicht als "Gas", sondern eher als eine Art "Plasma". Sprich ihn einmal darauf an.

als festen körper hätte ich sie sowieso nicht bezeichnet, sondern eher als gas (da wir nur diese beiden formen bezogen aufs spektrum kennengelernt haben), nur entspricht das spektrum ja auf den ersten blick eher dem eines festen körpers. mitlerweile ist mir ja klar, wie das zustande kommt.

[Vedek Bareil]

Originally posted by Amarok
Stimmt, nur löscht ein Gas eben genau dann die gewisse Wellenlänge aus in dem es leuchtet wenn es heißer wäre. Und die Oberfläche der Sonne ist eben zu kalt, deshalb auch die Auslöschung. öhm, also die Oberfläche der Sonne (die sog. Photosphäre) ist eigentlich nicht zu kalt. Und die hat auch kein Linienspektrum, sondern eben ein kontuinuierliches, denn von dort wird das Licht, das wir von der Sonne empfangen, ausgesandt.
Die Oberfläche besteht auch nicht aus einem Plasma, sondern aus einem dichten Gas. Plasma gibt es in der Sonne erst in viel tieferen Schichten, von denen gar kein Licht nach außen dringen kann, da es sehr schnell wieder absorbiert wird.

Die Absorptionslinien im Sonnenspektrum stammen nicht von der Oberfläche, sondern von der Sonnenatmosphäre, also den Schichten oberhalb der Oberfläche, wie der Chromosphäre und der Korona, wo die Gasdichte sehr viel niedriger ist als in der Photosphäre.
Auch diese Schichten sind keineswegs kalt. Daß sie Absorptions- statt Emissionslinien erzeugen, hat zwei Gründe:

- wegen der geringen Dichte hat die Strahlung, die sich aufgrund ihrer Temperatur aussenden, nur eine geringe Intensität, viel geringer als die des Lichts von der Photosphäre

- wenn ein Atom in der Korona ein von der Photosphäre kommendes Photon absorbiert, sendet es zwar alsbald ein neues mit der gleichen Energie aus. Dessen Ausbreitungsrichtung ist aber völlig zufällig, und wird nur in den seltensten Fällen radial von der Sonne wegzeigen wie die Richtung des ursprünglichen Photons.
Ein Beobachter, der sonst das von der Photosphäre stammende Photon detektiert hätte, registriert daher nur in den seltensten Fällen das in der Korona re-emittierte Photon.
Deswegen erscheint ihm das Licht bei den Frequenzen, auf denen in der Korona Absorption möglich ist, geschwächt, und entsprechend sieht er im Spektrum dann bei diesen Frequenzen Absorptionslinien.

Übrigens hätte ein Plasma ebenfalls ein kontinuierliches Spektrum, das auf eine ganz ähnliche Weise zustande kommt wie bei einem Festkörper:
in einem Plasma sind die Atome aufgespalten in positive Ionen und freie Elektronen. Diesen freien Elektronen verhalten sich ganz ähnlich wie die Elektronen im oberesten Energieband (=Leitungsband) eines Festkörpers.

@Dexter: also ein halber Tag war's nun auch wieder nicht ;)

[beta3]

was ist ein photon?

[Magnum]

Originally posted by beta3
was ist ein photon?
Ein Lichtquant, ein masseloses Teilchen, das mit Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend fliegt!

[beta3]

besteht das licht also aus photonen?
was sind quanten?
ist ein photon auch eine art von welle

[Magnum]

Originally posted by beta3
besteht das licht also aus photonen?
was sind quanten?
ist ein photon auch eine art von welle
Ja, Licht besteht aus Photonen!
Quant lässt sich in dem Fall am besten mit Energiepack beschreiben. d.h. Licht kann nicht in beliebig kleiner Energiemenge angetroffen werden. Die Energie beträgt immer mind. die eines Quants!
Ein Photon ist noch keine Welle, sehr viele davon verhalten sich aber wie eine!

[Amarok]

Originally posted by Vedek Bareil
öhm, also die Oberfläche der Sonne (die sog. Photosphäre) ist eigentlich nicht zu kalt. Und die hat auch kein Linienspektrum, sondern eben ein kontuinuierliches, denn von dort wird das Licht, das wir von der Sonne empfangen, ausgesandt.


Die Photosphäre ist eigentlich doch "kalt", lediglich ca. 5.700 K (Sonnenflecken noch geringer), während die Korona doch wesentlich heißer ist, so um die 1.000.000 - 2.000.000 K.

Hast du ein paar Quellen dazu, würde ich mir gerne ausführlich durchlesen.

[Amarok]

Originally posted by beta3
besteht das licht also aus photonen?
was sind quanten?
ist ein photon auch eine art von welle
Licht ist Welle und Teilchen, je nachdem wie du es siehst und je nachdem wie sich Licht verhält.

Wie eine Münze, die hat auch 2 Seiten...

[Legolas]

Originally posted by Amarok

Licht ist Welle und Teilchen, je nachdem wie du es siehst und je nachdem wie sich Licht verhält.

Wie eine Münze, die hat auch 2 Seiten...

Am besten kann man sich das glaub ich über die Zahl der Photonen klar machen.
Hat man nur sehr geringe Lichtintensität, so kann man sich das Licht als einzelne Teilchen, die Photonen vorstellen. Photonen haben keine Ruhemasse, d.h. würde man es anhalten, wäre es nicht mehr existent. Photonen bewegen sich aber immer mit Lichtgeschwindigkeit (3*10^8 m/s im Vakuum) oder sie existieren nicht, eine Geschwindigkeit, die zwischen der Lichtgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums und 0 liegt können Photonen nicht annehmen.
Da sich aber nun Photonen immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, kann man ihnen trotzdem auch eine Masse zuordnen, die dann von der Wellenlänge des Photons abhängt. Hat man nämlich sehr viele Photonen, so verhält sich diese große Anzahl der Photonen wie eine Welle mit allen ihren Eigenschaften.
Nur so lassen sich verschiedene Versuchsergebnisse mit Licht, die es einmal als Teilchenstrom mit Teilchen diskreter Energie und als Welle zeigen, unter einen Hut bringen.

[Vedek Bareil]

Originally posted by Amarok
Licht ist Welle und Teilchen, je nachdem wie du es siehst und je nachdem wie sich Licht verhält.

Wie eine Münze, die hat auch 2 Seiten... jedenfalls glaubte man das mal.
Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ein Relikt aus den Anfangszeiten der Quantenphysik und seit der Aufstellung der Schrödingerschen Wellenmechanik 1925 überholt.
In der modernen Quantentheorie hat ein Quantenobjekt immer sowohl Eigenschaften einer klassischen Welle als auch Eigenschaften eines klassischen Teilchens. Das "je nachdem wie man es sieht" fällt weg. Im Grunde ist Licht demnach weder Teilchen noch Welle, sondern etwas drittes, nämlich eben ein Quantenobjekt.

[Vedek Bareil]

Originally posted by Legolas
Hat man nur sehr geringe Lichtintensität, so kann man sich das Licht als einzelne Teilchen, die Photonen vorstellen. das kann man immer, auch bei hoher Intensität.
Es sei denn man meint mit Teilchen klassische Teilchen, die zu jeder Zeit einen eindeutigen Aufenthaltsort und einen eindeutigen Impuls haben, dann kann man's nie, auch nicht bei geringer Intensität.


Photonen haben keine Ruhemasse, d.h. würde man es anhalten, wäre es nicht mehr existent. ein wenig sinnvoller Satz.
Das Nichtvorhandensein einer Ruhmasse macht es prinzipiell unmöglich, ein Photon anzuhalten oder abzubremsen.


Photonen bewegen sich aber immer mit Lichtgeschwindigkeit (3*10^8 m/s im Vakuum) oder sie existieren nicht, eine Geschwindigkeit, die zwischen der Lichtgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums und 0 liegt können Photonen nicht annehmen. Vorsicht! Die Geschwindigkeit eines Photons in Materie ist keine so triviale Angelegenheit.
Wie oben angedeutet ist die Vorstellung eines Photons als klassischem Teilchen, dem man stets eine eindeutige Geschwindigkeit zuschreiben kann, immer falsch.
Man muß berücksichtigen, daß ein Photon eine quantisierte EM-Welle ist, und die hat genauso wie eine klassische EM-Welle die Eigenschaft, nicht nur eine einzige, sondern gleich eine ganze Reihe von Geschwindigkeiten zu haben, u.a. die Phasengeschwindigkeit, die Gruppengeschwindigkeit und die Frontgeschwindigkeit.
Was die Geschwindigkeit eines Photons ist, ist nur dann eindeutig definiert, wenn alle diese Geschwindigkeiten gleich groß sind, wie im Vakuum.


Da sich aber nun Photonen immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, kann man ihnen trotzdem auch eine Masse zuordnen, die dann von der Wellenlänge des Photons abhängt. Hat man nämlich sehr viele Photonen, so verhält sich diese große Anzahl der Photonen wie eine Welle mit allen ihren Eigenschaften. ein Verhalten, das dem einer klassischen Welle entspricht, zeigen auch einzelne Photonen.
Klassische Wellen treten z.B. für gewöhnlich in Wellenpaketen endlicher Ausdehnung (Stichwort: Kohärenzlänge) auf. Diese Ausdehnung entspricht gerade der Ortsunschärfe eines Photons.
Überhaupt ist die Heisenbergesche Unschärferelation ein Effekt, der schon voll und ganz in der klassischen Wellenlehre enthalten ist: dort gibt es eine Unschärfebeziehung zwischen dem Ort eines Wellenpakets (also seiner Ausdehnung) und seiner Wellenlänge. Je geringer ein Wellenpaket ausgedehnt ist, d.h. je stärker es lokalisiert ist, desto unbestimmter ist seine Wellenlänge/Frequenz.

Deswegen braucht man in der Nachrichtentechnik für hohe Datenübertragungsraten auch hohe Frequenzbandbreiten: je höher die Bandbreite (sprich: je unbestimmter die Frequenz jedes gesendeten Wellenpakets), desto kürzer ist jedes Paket, und desto mehr Pakete kann man pro Zeiteinheit übertragen.

In der Quantentheorie stellt sich dann heraus, daß Wellenlänge und Frequenz gerade dem Impuls und der Energie von Teilchen entsprechen. So gelangt man zur Unschärfebeziehung zwischen Ort und Impuls.


Nur so lassen sich verschiedene Versuchsergebnisse mit Licht, die es einmal als Teilchenstrom mit Teilchen diskreter Energie und als Welle zeigen, unter einen Hut bringen. es geht auch anders. Z.B. indem man das elektromagnetische Feld quantisiert ;)

[Vedek Bareil]

wer sich für das Thema näher interessiert, dem sei auch die Physik-Newsgroup de.sci.physik und deren FAQ-Seite (http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/index.html) ans Herz gelegt :)