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Summary
TLDRDieses Video erklärt, wie Wissenschaftler Exoplaneten entdecken und ihre Eigenschaften bestimmen, indem sie das von ihren Sternen stammende Licht analysieren. Es erläutert, wie Elemente im Licht einen charakteristischen Fingerabdruck hinterlassen, der durch das Spektrum sichtbar gemacht wird. Durch das Aufspalten des Lichts mit einem optischen Gitter können die Wellenlängen identifiziert werden, die von den Exoplaneten absorbiert werden, was Hinweise auf ihre Atmosphäre gibt.
Takeaways
- 🌌 Exoplanets are planets outside our solar system, and many discovered so far are gas giants like Jupiter.
- 🔭 We cannot directly photograph or travel to exoplanets, but we can observe the light emitted by their host stars.
- 🌟 Elements leave a unique fingerprint in light when they absorb or emit specific wavelengths, which is called a spectrum.
- 🔬 Light can be split into its spectrum using a diffraction grating, similar to how a prism splits light.
- 📊 The behavior of light waves can be explained through the principle of superposition and interference patterns.
- 🛑 Constructive interference occurs when the peaks and troughs of waves align, while destructive interference occurs when they oppose each other.
- 🔄 The experiment setup to split light into its spectrum involves a screen, a light source, and a diffraction grating.
- 🔄 The path difference (g) between light rays must be a whole multiple of the wavelength (λ) for constructive interference to occur.
- 📐 The relationship between wavelength and the distance between slits in the grating (grating constant) can be established using trigonometry.
- 🔍 By measuring the angles and distances in the experiment, we can determine the wavelength of light and analyze its spectrum.
- 🌍 The atmosphere of exoplanets can be determined by observing which wavelengths of light are absorbed or emitted by them.
Q & A
Was sind Exoplaneten?
-Exoplaneten sind Planeten, die sich außerhalb unseres Sonnensystems befinden.
Welche Art von Exoplaneten haben Wissenschaftler häufig gefunden?
-Die meisten Exoplaneten, die bisher gefunden wurden, sind Gasriesen, ähnlich wie Jupiter.
Wie erkennt man, ob ein Exoplanet eher wie Jupiter oder eher wie die Erde ist?
-Man kann dies erkennen, indem man das von ihren Heimatsternen ausgesandte Licht mit Teleskopen beobachtet und das Spektrum der Elemente analysiert.
Was ist ein Spektrum?
-Ein Spektrum ist ein charakteristisches Muster von Lichtwellenlängen, das von einem Element angestrahlt oder erzeugt wird, wenn es von Licht angeregt wird.
Wie kann man das Licht eines Exoplaneten in sein Spektrum aufteilen?
-Man kann das Licht mit einem optischen Gitter aufspalten, das ähnlich wie ein Gitterzaun funktioniert, um das Spektrum zu visualisieren.
Was ist das Prinzip hinter der Lichtüberlagerung, das im Skript erwähnt wird?
-Das Prinzip der Lichtüberlagerung, auch bekannt als Interferenz, beschreibt, wie sich Lichtwellen aufeinander auswirken, entweder konstruktiv (Wellenhöhen und Tiefen übereinstimmen) oder destruktiv (eine Wellenhöhe trifft auf eine Tiefe).
Was ist konstruktive Interferenz und wie ist sie für die Untersuchung von Exoplaneten wichtig?
-Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn Wellenhöhen auf Wellenhöhen und Wellentiefen auf Wellentiefen treffen. Dies ist wichtig, da es die Intensität des Lichts erhöht und somit die Analyse von Exoplaneten ermöglicht.
Wie kann man die Atmosphäre eines Exoplaneten bestimmen?
-Man kann die Atmosphäre bestimmen, indem man das von einem Stern auf die Atmosphäre eines Exoplaneten treffende Licht in sein Spektrum aufteilt und nach den fehlenden Wellenlängen sucht, die von der Atmosphäre absorbiert wurden.
Was ist der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Lichts und dem Abstand der Spalte im Gitter?
-Der Abstand der Spalte im Gitter, die sogenannte Gitterkonstante, ist mit der Wellenlänge des Lichts verbunden. Wenn das Licht konstruktiv interferiert, muss der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein.
Wie kann man die Größen, die für die Analyse des Exoplanetenlichts wichtig sind, messen?
-Man kann die messbaren Größen, wie den Abstand zwischen Gitter und Schirm und den Abstand zwischen der Mitte des Schirms und dem Interferenzmaximum, mit dem Winkel Alpha K verknüpfen, um die nicht direkt messbaren Größen wie Wellenlänge und Gitterkonstante zu bestimmen.
Outlines
🌌 Entdeckung und Beschreibung von Exoplaneten
Dieser Absatz beschreibt die Entdeckung von Exoplaneten, also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Es wird erläutert, dass die meisten bisher entdeckten Exoplaneten Gasriesen wie Jupiter sind, aber es gibt auch solche, die der Erde ähneln. Da Exoplaneten so weit entfernt sind, dass sie weder direkt fotografiert noch besucht werden können, müssen Wissenschaftler das von ihren Sternen stammende Licht mit Teleskopen untersuchen. Elemente hinterlassen einen spezifischen 'Fingerabdruck' im Licht, wenn sie es absorbieren oder emitieren, was als Spektrum bezeichnet wird. Durch das Aufspalten des Lichts mit einem Gitter kann man das Spektrum sichtbar machen. Der Absatz erläutert auch das Verhalten von Lichtwellen und wie sie sich überlagern können, was durch das rugensche Prinzip erklärt wird.
🔭 Experimentelle Aufteilung des Lichts in sein Spektrum
In diesem Absatz wird beschrieben, wie man Licht in sein Spektrum aufteilt, um die Eigenschaften von Exoplaneten zu untersuchen. Es wird erklärt, dass das Licht, das von einem Stern auf die Atmosphäre eines Exoplaneten trifft, bestimmte Wellenlängen absorbiert, was dazu führt, dass diese Wellenlängen auf der Erde fehlen und somit identifiziert werden können. Der Absatz führt ein Experiment ein, bei dem ein Schirm, ein optisches Gitter und eine Lichtquelle verwendet werden, um Licht in sein Spektrum aufzuteilen. Es wird erklärt, wie der Gangunterschied und die Wellenlänge dazu beitragen, ob das Licht konstruktiv interferiert und wie man damit die Atmosphäre eines Exoplaneten bestimmen kann.
Mindmap
Keywords
💡Exoplaneten
💡Gasriesen
💡Fingerabdruck
💡Spektrum
💡optisches Gitter
💡Interferenz
💡Gitterkonstante
💡Gangunterschied
💡Wellenlänge
💡Atmosphäre von Exoplaneten
Highlights
Wissenschaftler haben neue Exoplaneten entdeckt.
Die meisten Exoplaneten sind Gasriesen wie Jupiter.
Manchmal finden Wissenschaftler Exoplaneten, die der Erde ähnlich sind.
Exoplaneten sind so weit weg, dass sie weder direkt fotografiert noch erreicht werden können.
Man kann nur das von ihren Sternen ausgesandte Licht mit Teleskopen erfassen.
Elemente hinterlassen einen Fingerabdruck im Licht, wenn es angestrahlt wird.
Diese hellen Linien im Spektrum sind für jedes Element charakteristisch.
Das Licht kann durch ein Gitter aufgespalten werden, um das Spektrum sichtbar zu machen.
Lichtwellen können sich überlagern, was als Interferenz bezeichnet wird.
Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn Wellen maxima auf maxima und minima auf minima treffen.
Destruktive Interferenz tritt auf, wenn Wellen maxima auf minima treffen.
Konstruktive Interferenz ist für das Aufteilen von Licht in sein Spektrum von Interesse.
Ein optisches Gitter besteht aus vielen kleinen Doppelspalten.
Licht breitet sich hinter dem Gitter in alle Raumrichtungen aus.
Gangunterschied ist der Wegunterschied der Lichtstrahlen, der für die Interferenz entscheidend ist.
Licht interferiert konstruktiv, wenn der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
Die Gitterkonstante und der Gangunterschied können über einen rechten Winkel mit dem Sinus verknüpft werden.
Die Messung von Alpha K, dem Winkel zwischen Gitter und Schirm, hilft, die Wellenlänge zu bestimmen.
Lichtwellenlängen können durch das Verschieben der Interferenzmaximums auf dem Schirm gemessen werden.
Die Atmosphäre von Exoplaneten kann durch das Aufspalten des von ihnen absorbierten Lichts bestimmt werden.
Fehlende Wellenlängen im Spektrum lassen auf die Atmosphäre eines Exoplaneten schließen.
Transcripts
Exoplaneten also wieder in den
Nachrichten dass Wissenschaftler neue
Exoplaneten also Planeten außerhalb
unseres Sonnensystems gefunden haben die
meisten Exoplaneten die wir bisher
gefunden haben sind Gasriesen wie unser
Jupiter aber manchmal finden wir auch
einen Exoplaneten der unserer Erde sehr
ähnlich ist aber wie kann man wissen ob
ein Exoplanet eher wie Jupiter oder eher
wie die Erde ist alle Exoplaneten sind
so weit weg dass man sie weder direkt
fotografieren noch zu Ihnen reisen kann
wir können nur das Licht was von ihren
heimatsternen ausgesendet wird mit
Teleskopen
einfangen glücklicherweise hinterlassen
Elemente einen Fingerabdruck in diesem
Licht wenn diese angestrahlt oder
angeregt werden schlucken bzw erzeugen
Sie nur bestimmte Wellenlängen von Licht
die helleren Linien die wir hier sehen
können sind dieser
Fingerabdruck dieser ist für jedes
Element charakteristisch und eindeutig
man nennt dies auch das Spektrum und
kann es sichtbar machen in indem man das
Licht mit einem Gitter
aufspaltet wie das geht schauen wir uns
im Folgenden genauer
an da Licht sich auch wie eine Welle
verhält kann Licht ähnlich zu
mechanischen Wellen überlagert werden um
uns klarzu machen wie Lichtwellen sich
überlagern schauen wir uns an wie sich
diese an einem Doppelspalt
verhalten wie wir in der gezeigten
Animation sehen verhalten sich wen im
Raum anders sobald sie auf ein Hindernis
stoßen
der Grund hierfür ist das rugensche
Prinzip es besagt dass jeder Punkt in
einer Wellenfront als Ausgangspunkt
einer neuen Welle der sogenannten
elementarwelle betrachtet werden kann
die neue Lage der Wellenfront ergibt
sich durch Überlagerung sämtlicher
Elementarwellen ist kein Hindernis im
Weg bemerken wir von diesem Vorgang
nichts weil die Elementarwellen sich
genauso überlagern dass die Wellenfront
unverändert
weiterläuft lässt man die Wellenfront
aber gegen einen Doppelspalt laufen
so ändert sich das Verhalten da nur noch
die Spalte als Quellen für die
Elementarwellen fungieren
können das Muster welches wir in der
Animation sehen entsteht also durch die
Überlagerung von Wellen
Überlagerung nennt man bei Wellen auch
Interferenz und man spricht von
konstruktiver Interferenz wenn immer ein
Wellenberg auf ein Wellenberg und ein
Wellental auf ein Wellental trifft
trifft Wellental auf Wellenberg und
Wellenberg auf Wellental spricht man von
destruktiver Interferenz
für uns ist aber insbesondere der Fall
der konstruktiven Interferenz
interessant mit dem Wissen was
konstruktive Interferenz ist schauen wir
uns nun einen Versuchsaufbau an mit dem
wir Licht in sein Spektrum aufteilen
können alles was man dafür braucht ist
ein Schirm ein optisches Gitter und eine
Lichtquelle ein optisches Gitter ist
nichts anderes als ganz viele sehr
kleine doppelspalte die aneinandergereih
wurden ähnlich wie ein
Gitterzaun um zu verstehen was bei
diesem Versuch passieren wird schauen
wir uns eine Skizze an hinter dem Gitter
breitet sich das Licht dem regiginchen
Prinzip folgend in alle Raumrichtungen
aus wir sind aber nur an zwei
Lichtstrahlen interessiert die
konstruktiv interferieren da in diesem
Fall auf dem Schirm ein besonders
starker Lichtfleck zu sehen sein wird
diesen Fleck nennen wir
interferenzmaximum in der Zeichnung
sehen wir dass die Lichtstrahlen
unterschiedlich lange Strecken
zurücklegen
diesen wegunterschied nennen wir
Gangunterschied und geben unserer
Zeichnung den Namen
G schauen wir uns nun an wie groß dieses
g sein muss damit die lichtstrahen
konstruktiv
interferieren wir betrachten dazu den
unteren Lichtstrahl nachdem er die
Strecke g zurückgelichtt hat trifft
danach nicht Wellenberg auf Wellenberg
interferieren die beiden Lichtstrahlen
nicht konstruktiv das heißt wir müssen g
so wählen dass die Lichtstrahlen am Ende
synchron sind hierbei spielt die
Wellenlänge Lambda des Lichts eine
entscheidende
Rolle wenn Licht ein ganzsaliges
vielffaches seiner Wellenlänge
zurücklegt befindet es sich wieder in
derselben Phase wie zu Beginn in unserem
Beispiel legt der untere Lichtstrahl
eine zusätzliche Strecke zurück die
dreimal so lang ist wie unsere
Wellenlänge etwas allgemeiner kann man
also sagen dass Licht in unserem
Experiment genau dann konstruktiv
interferiert wenn der Gangunterschied g
ein ganzhaliges Vielfaches von der
Wellenlänge ist
mit dieser Vorüberlegung können wir nun
einen Zusammenhang zwischen wennenlänge
und dem Abstand der Spalte im Gitter der
sogenannten Gitterkonstante
herstellen dazu bemerken wir dass wir in
dem kleinen weißen Dreieck unten einen
rechten Winkel finden um bereits zwei
Seiten kennen einmal den Gangunterschied
welchen wir hier als K des vielffaches
der Wellenlänge darstellen und die
gehterkonstante
D da dies ein rechtwinkliges Dreieck ist
können wir den eingezeich Winkel Alpha K
ausrechnen da wir die Gegenkathete und
Hypotenuse
kennen somit gilt der Sinus von Alpha K
ist gleich dem Verhältnis vom
Gangunterschied zur
Gitterkonstante dieses Dreieck hat
allerdings den Nachteil dass wir dessen
Seiten in der Regel nicht direkt messen
können weil sowohl die Wellenlänge als
auch die Gitterkonstante sehr klein sind
daher ist es praktisch wenn man noch ein
weiteres Dreieck betrachtet das hier
gelb eingezeichnete Dreieck ist ähnlich
zu dem kleineren Dreieck das bedeutet es
hat die gleichen
Winkel bei der Seite e handelt es sich
um den Abstand zwischen Gitter und dem
Schirm und bei LK handelt es sich um den
Abstand zwischen der gedachten Mitte des
Schirms bis zum
kartenmaximum diese beiden Größen können
wir nachmessen und weil sie die Katheten
in einem rechtwinkligen Dreieck sind
stehen sie über den Tangens von Alpha K
in
Verbindung somit können wir unsere
messbaren Größen und die Größen an denen
wir interessiert sind über den Winkel
Alpha K
verknüpfen nun betrachten wir noch warum
man hiermit Licht in sein Spektrum
aufteilen kann damit es anschaulicher
ist betrachten wir nur das erste
maximum wir können sehen dass wenn die
Wellenlänge des Lichts größer wird dass
auch die Strahlen stärker gebrochen
werden und somit das Maximum weiter
außen auf dem Schirm zu sehen ist wird
die Wellenlänge des Lichts kleiner
wandert es weiter zur Mitte des Schirms
mit dem Wissen wie man Licht in sein
Spektrum aufspaltet können wir uns nun
anschauen wie man die Atmosphäre von
Exoplaneten bestimmen kann wenn das
Licht von einem Stern auf die Atmosphäre
von einem Exoplaneten trifft werden
bestimmte Wellenlängen von dieser
geschluckt das heißt wir können auf der
Erde z.B mit einem Gitter das Licht in
sein Spektrum aufspalten und nachschauen
welche Wellenlängen fehlen und so die
Fingerabdrücke von Stoffen
identifizieren somit können wir auch aus
weiterentfernung die Atmosphäre von
Exoplaneten
bestimmen wir hoffen euch hat diese
kleine Reise von Exoplaneten zu
optischen Gittern gefallen
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