Schwarze Linien im Licht? Was sie verraten! | Harald Lesch

Summary

Das Video bietet einen faszinierenden Einblick in die Entdeckungen der modernen Astronomie und Physik. Es beginnt mit der Frage, wie wir Wissen über die Sterne erlangen und führt über Isaac Newtons Experimente mit Prismen zur Entdeckung der schwarzen Linien im Lichtspektrum durch Joseph von Fraunhofer. Diese Linien, sogenannte Absorptionslinien, entstehen durch das Verschlucken von Licht in der Atmosphäre der Sonne und sind der Schlüssel zum Verständnis der Natur des Lichts und der Atome. Diese Erkenntnisse führten zur Quantenmechanik und ermöglichen heute die Entdeckung von Planetensystemen und das Studium von Galaxien.

Takeaways

• 🔭 Die moderne Astronomie begann mit der Untersuchung von Lichtpunkten am Himmel und der Frage nach der Natur des Lichts.
• 🌈 Isaac Newton zeigte durch das Experiment mit einem Prisma, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben besteht.
• 🔬 Joseph von Fraunhofer entdeckte 1814 im Spektrum der Sonne dünne schwarze Linien, die später als Absorptionslinien identifiziert wurden.
• ☀️ Die Sonne ist ein großer Gasball, dessen Atmosphäre bestimmte Teile des Lichtes verschluckt, wodurch diese Linien entstehen.
• 💡 Emissions- und Absorptionslinien im Spektrum hängen mit den chemischen Elementen zusammen und helfen, diese zu identifizieren.
• ⚛️ Die Entdeckung dieser Linien markierte den Beginn der Quantenmechanik, da Atome Licht in diskreten Energiezuständen aufnehmen und abgeben.
• 🧪 Jedes chemische Element hat sein eigenes charakteristisches Linienspektrum, das durch die Elektronenverteilung bestimmt wird.
• 🪐 Spektrallinien werden verwendet, um Planetensysteme um andere Sterne zu entdecken, indem die Bewegung des Sterns um einen gemeinsamen Schwerpunkt analysiert wird.
• 🚀 Die Untersuchung dieser Linien führte zur Entdeckung des interstellaren Mediums, das das Licht zwischen uns und den Sternen beeinflusst.
• 🌌 Durch Spektrallinien können Astronomen sogar die Rotation von Galaxien und die Bewegung von Materie um schwarze Löcher beobachten.

Q & A

Was war der Beginn der modernen Astronomie?

Der Beginn der modernen Astronomie war die Untersuchung von Licht und insbesondere die Entdeckung von schwarzen Linien im Sonnenspektrum durch Joseph von Fraunhofer im Jahr 1814.

Was entdeckte Isaac Newton, als er Licht durch ein Prisma schickte?

Isaac Newton entdeckte, dass weißes Licht in seine farbigen Bestandteile aufgeteilt wird, wenn es durch ein Prisma geschickt wird, und dass die Farben von Licht nicht durch das Prisma entstehen, sondern Bestandteile des weißen Lichts sind.

Was sind Absorptionslinien und wie entstehen sie?

Absorptionslinien entstehen, wenn Licht von der Atmosphäre eines Sterns teilweise verschluckt wird. Sie sind dunkle Linien im Spektrum, die anzeigen, dass bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbiert wurden.

Wie hängen chemische Elemente mit den Absorptions- und Emissionslinien zusammen?

Jedes chemische Element hat ein charakteristisches Muster von Absorptions- und Emissionslinien, die entstehen, wenn Elektronen in den Atomen Energie aufnehmen oder abgeben. Diese Linien können verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung eines Sterns oder eines Gases zu identifizieren.

Warum war die Entdeckung der Absorptionslinien wichtig für die Quantenmechanik?

Die Entdeckung der Absorptionslinien führte zur Erkenntnis, dass Elektronen in Atomen nur bestimmte Energiezustände einnehmen können. Dies war eine der Grundlagen für die Entwicklung der Quantenmechanik.

Wie tragen Spektrallinien zur Entdeckung von Planetensystemen bei?

Spektrallinien können die Bewegung von Sternen anzeigen, wenn sie sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt mit einem Planeten bewegen. Diese Bewegungen verursachen eine Rot- oder Blauverschiebung im Spektrum, die auf ein Planetensystem hinweist.

Was ist das interstellare Medium und wie wurde es entdeckt?

Das interstellare Medium ist Materie zwischen den Sternen. Es wurde entdeckt, als man feststellte, dass bestimmte Absorptionslinien in einem Doppelsternsystem sich nicht bewegten, was darauf hinwies, dass sich zwischen dem Beobachter und dem Stern Material befand.

Wie kann die Bewegung von Galaxien anhand von Spektrallinien beobachtet werden?

Die Bewegung von Galaxien kann durch die Beobachtung von Spektrallinien gemessen werden, die anzeigen, wie sich das Material um das Zentrum einer Galaxie, z.B. um ein Schwarzes Loch, bewegt.

Was ist das Prinzip der Energieabgabe bei angeregten Elektronen?

Wenn Elektronen in einem Atom Energie aufnehmen und in einen höheren Energiezustand wechseln, geben sie diese Energie wieder ab, wenn sie in den Grundzustand zurückkehren. Diese Abgabe von Energie zeigt sich als Emissionslinie im Spektrum.

Wie wurde das Spektrum der Sonne zum ersten Mal untersucht?

Das Spektrum der Sonne wurde zum ersten Mal von Joseph von Fraunhofer im Jahr 1814 untersucht, als er schwarze Linien im Sonnenlicht entdeckte, die später als Absorptionslinien identifiziert wurden.

Outlines

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🌟 Die Entstehung der modernen Astronomie und das Geheimnis des Lichts

Die Astronomie begann mit der Untersuchung des Lichts, insbesondere durch Isaac Newtons Experiment mit dem Prisma, das das weiße Licht in seine Bestandteile zerlegte. Joseph von Fraunhofer entdeckte 1814 schwarze Linien im Sonnenspektrum, die später als Absorptionslinien identifiziert wurden. Diese Linien entstehen durch das Verschlucken von Licht durch die Sonnenatmosphäre. Diese Erkenntnisse führten zur Entdeckung von Emissionslinien und schließlich zur Entwicklung der Quantenmechanik, da man feststellte, dass Atome Licht nur in bestimmten Energiestufen aufnehmen und abgeben können.

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🔭 Anwendung von Absorptions- und Emissionslinien in der modernen Astronomie

Heute nutzen Astronomen Absorptions- und Emissionslinien, um Planeten um andere Sterne und das interstellare Medium zu entdecken. Durch die Beobachtung von Verschiebungen im Spektrum, verursacht durch die Bewegung von Sternen, können Planetensysteme identifiziert werden. Unbewegte Absorptionslinien führten zur Entdeckung des interstellaren Mediums. Mit diesen Methoden lassen sich nicht nur Planeten, sondern auch die Rotation von Galaxien und die Bewegung von Materie um Schwarze Löcher herum beobachten. Diese Entdeckungen revolutionierten unser Verständnis des Universums.

Keywords

💡Licht

Licht ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung und spielt eine zentrale Rolle in der Astronomie. Im Video wird beschrieben, wie Isaac Newton das weiße Licht durch ein Prisma geschickt hat, wodurch sich das Licht in seine farbigen Bestandteile aufspaltete. Das Spektrum des Lichts, und insbesondere die darin enthaltenen schwarzen Linien, halfen später, die Natur des Lichts und seine Wechselwirkung mit Materie zu verstehen.

💡Absorptionslinien

Absorptionslinien sind dunkle Linien im Lichtspektrum, die entstehen, wenn bestimmte Wellenlängen des Lichts von Materie, wie Gasen, verschluckt werden. Im Video wird erklärt, wie Joseph von Fraunhofer diese Linien im Sonnenlicht entdeckt hat und wie sie genutzt werden, um chemische Elemente in Sternen und der interstellaren Materie zu identifizieren.

💡Spektrum

Ein Spektrum entsteht, wenn Licht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten wird. Im Video wird das Sonnenlicht durch ein Prisma in seine Bestandteile zerlegt und untersucht, was zur Entdeckung der Absorptionslinien führte. Das Spektrum ist ein wichtiges Werkzeug in der Astronomie, um die Zusammensetzung von Sternen und anderen Himmelsobjekten zu analysieren.

💡Quantenmechanik

Die Quantenmechanik befasst sich mit den Gesetzen der Physik auf atomarer und subatomarer Ebene. Im Video wird beschrieben, wie die Entdeckung der diskreten Zustände von Elektronen in Atomen der Beginn der Quantenmechanik war. Die Absorptions- und Emissionslinien im Spektrum sind Ausdruck dieser quantenmechanischen Zustände.

💡Emission

Emission bezeichnet die Abgabe von Licht oder Energie durch ein Atom oder Molekül. Im Video wird erklärt, dass es nicht nur Absorptionslinien gibt, sondern auch Emissionslinien, wenn Atome Energie freisetzen. Diese Linien helfen dabei, die chemische Zusammensetzung von Sternen und anderen Himmelskörpern zu verstehen.

💡Fraunhofer-Linien

Die Fraunhofer-Linien sind spezielle Absorptionslinien im Sonnenspektrum, die erstmals von Joseph von Fraunhofer entdeckt wurden. Sie sind ein wichtiger Hinweis auf die chemische Zusammensetzung der Sonne und anderer Sterne. Im Video wird Fraunhofers Arbeit als ein Meilenstein in der Astronomie beschrieben.

💡Newton, Isaac

Isaac Newton war einer der ersten Wissenschaftler, der das Lichtsystem mittels Prismen untersuchte und entdeckte, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben besteht. Seine Experimente mit Licht und Prismen markierten den Beginn der modernen Optik und waren ein Ausgangspunkt für spätere Entdeckungen in der Astronomie, wie im Video dargestellt.

💡Photosphäre

Die Photosphäre ist die sichtbare Oberfläche der Sonne, von der das meiste Licht ausgeht. Im Video wird sie als eine Schicht aus heißem Gas beschrieben, die das kontinuierliche Spektrum der Sonne erzeugt, während darüber liegende Gase bestimmte Wellenlängen absorbieren, was zu den Absorptionslinien führt.

💡Blau- und Rotverschiebung

Blau- und Rotverschiebung beziehen sich auf die Veränderung der Wellenlänge von Licht aufgrund der Bewegung eines Himmelskörpers relativ zum Beobachter. Im Video wird beschrieben, wie die Bewegung von Sternen und Planeten um einen gemeinsamen Schwerpunkt durch diese Verschiebungen im Spektrum sichtbar gemacht wird.

💡Interstellares Medium

Das interstellare Medium besteht aus Gas und Staub zwischen den Sternen. Im Video wird erklärt, wie es durch stationäre Absorptionslinien entdeckt wurde, die nicht mit der Bewegung der Sterne zusammenhingen. Dieses Material spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Sternen und Galaxien.

Highlights

Die moderne Astronomie beginnt mit der Frage: Was ist die Natur des Lichts?

Joseph von Fraunhofer entdeckte 1814 im Spektrum der Sonne hauchdünne schwarze Linien, die später als Absorptionslinien identifiziert wurden.

Isaac Newton zeigte durch Experimente mit einem Prisma, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben besteht, die das Prisma trennt.

Fraunhofer untersuchte, wie Linsen Licht unabhängig von der Farbe optimal brechen können.

Die Sonne erzeugt ein kontinuierliches Spektrum, während die dünne Atmosphäre darüber bestimmte Lichtwellen verschluckt.

Es gibt zwei Arten von Linien: Absorptionslinien, bei denen Licht verschluckt wird, und Emissionslinien, bei denen Licht abgegeben wird.

Mitte des 19. Jahrhunderts wurde erkannt, dass diese Linien mit chemischen Elementen zusammenhängen.

Die Entdeckung der diskreten Energieniveaus in Atomen war der Beginn der Quantenmechanik.

Elektronen nehmen nur bestimmte Energiezustände in einem Atom ein und geben Energie in Form von Licht ab, wenn sie in ihren Grundzustand zurückkehren.

Jedes chemische Element hat ein einzigartiges Spektrum, das durch die Verteilung der Elektronen bestimmt wird.

Die Untersuchung des Lichtspektrums ermöglicht es, Materie auf atomarer Skala zu verstehen.

Durch die Untersuchung von Spektrallinien kann die Bewegung von Sternen und Planeten um einen gemeinsamen Schwerpunkt beobachtet werden.

Fraunhofer konnte nur stationäre Spektren beobachten, aber moderne Instrumente erlauben es, feine Bewegungen und das Vorhandensein von Planeten um Sterne zu erkennen.

Das interstellare Medium wurde durch unbewegte Calcium-Absorptionslinien entdeckt, die nicht mit der Bewegung des beobachteten Sterns zusammenhingen.

Durch Spektrallinien kann die Rotation von Galaxien und die Bewegung von Materie um schwarze Löcher beobachtet werden.

Transcripts

Woher wissen wir eigentlich überhaupt was von den Sternen? Die sind so weit weg, nur Punkte am Himmel.

Damit hat alles angefangen. Damit beginnt die moderne Astronomie. Damit beginnt sogar das Problem,

das später von der Quanten- mechanik gelöst wird, nämlich:

Was ist eigentlich die Natur des Lichts? Wie kommen schwarze Linien ins Licht?

[Intro-Musik]

Wir sind hier in der Ausstellung "Natur- wissenschaften um 1800" und hier kann man lernen,

wie Naturwissenschaften um 1800 angefangen haben, sich mit dem Sichtbaren und dem Unsichtbaren

zu beschäftigen. Das Spektrum hier, von Joseph von Frauenhofer 1814 veröffentlicht,

stammt eigentlich aus einer Untersuchung darüber, wie man Linsen optimal schleifen kann, sodass

sie, möglichst unabhängig von der Farbe, das Licht so brechen, wie sie es tun sollen.

Und dabei entdeckte er im Sonnenlicht, also dem Spektrum der Sonne, hauchdünne schwarze Linien.

Wie sich rausstellen wird, sind es Absorptionslinien, die dadurch entstehen, dass Licht verschluckt wird.

Angefangen hat alles damit, dass Isaac Newton Licht durch ein Prisma geschickt hat.

Und dann wurde aus dem weißen Licht das hier. Alle waren begeistert, was das Glas mit dem Licht macht!

Dann hat Newton ein zweites Prisma genommen, hat nur das rote Licht durchgeschickt und es blieb rot.

Es war nicht das Prisma, was das Licht farbig machte, sondern das sind die Bestandteile von weißem Licht.

Aber was hat es mit den Linien auf sich? Dunkle Linien im Spektrum der Sonne.

Was ist denn das? Wir haben auf der einen Seite den Körper, der strahlt, nämlich die Sonne, und

offenbar hat die Sonne noch eine Atmosphäre, die sogenannte Photosphäre. Die Sonne ist ein ziemlich

großer Gas-Ball - 700.000 km Radius und eine Temperatur von über 5.700 Kelvin. Und über ihr ist

eine Atmosphäre aus dünnerem Gas. Also das dichte Gas der Sonne produziert ein kontinuierliches

Spektrum und die Atmosphäre darüber verschluckt in Teilen das Licht, das von diesem Gas-Ball kommt.

Fast 50 Jahre später werden andere feststellen, dass es nicht nur Absorptionslinien gibt, sondern

auch Emissionslinien. Das heißt, es wird Licht verschluckt oder abgegeben. Man hat zwei verschiedene

Arten, wie Licht von Atomen aufgenommen wird. Und dann erkannte man Mitte des 19. Jahrhunderts,

dass jede dieser Linien mit chemischen Elementen zusammenhängt. Das ist gar nicht so lange her,

dass wir begriffen haben, dass es wirklich Atome gibt und dass diese Atome Licht in einer bestimmten

Form aufnehmen und abgeben. Und zwar nicht kontinuierlich, sondern im Gegenteil. Das war der

Beginn der Quantenmechanik. Weil man nämlich fest- stellte, dass es in jedem Atom nur bestimmte

Zustände gibt, die von Energie aufnehmenden oder abgebenden Elektronen eingenommen werden können.

Wenn sie im Grundzustand sind, können sie Energie aufnehmen, z. Bsp. auf einen anderen Zustand springen.

Wenn sie dann da oben sind, gibt es eben dieses grundlegende Prinzip in der Physik: Wenn ein System

angeregt ist, wird es sich möglichst schnell wieder auf den Grundzustand niedrigster Energie abregen.

Dann wird es die gleiche Menge Energie, die es aufgenommen hat, wieder abgeben. Und da das Licht

in eine zufällige Richtung wieder abgegeben wird, fehlt dieser Teil des Spektrums in der

ursprünglichen Richtung des Lichts und das zeigt sich als Absorptionslinie.

Je mehr Elektronen in einem chemischen Element verteilt sind, umso vielfältiger

kann das Spektrum sein. Jedes Element hat sein charakteristisches Muster und kann über diese

Linien identifiziert werden. Bei den einfachsten Elementen, Wasserstoff und Helium,

ist das Spektrum zwar auch schon vielfältig, aber längst nicht so wie bei vielen anderen chemischen

Elementen, weil da einfach viel mehr Elektronen in der Hülle sind.

Das ist tatsächlich der Beginn der Untersuchung der Materie auf einer Längenskala, die für

uns unsichtbar ist. Wir reden über Teilchen, die winzig sind. Atome sind total winzig.

Wenn wir 1 Gramm von unserem Finger abschneiden, haben wir eine Quadrillion Atome drin.

Atome müssen unglaublich klein sein. Und doch gelingt es, die Dynamik und die Physik dieser

Atome damit zu verstehen, dass man das abgegebene Licht genauer untersucht.

Damit hat man ein molekulares Skalpell, um Materie auf einer ganz kleinen Längenskala zu untersuchen.

Was macht man heute in der Astronomie mit diesen Emissions- und Absorptionslinien?

Man findet Planetensysteme um andere Sterne herum! Weil nämlich dadurch, dass ein Planet sich

um einen Stern herum bewegt, der Stern vom Planeten genauso angezogen wird, wie umgekehrt,

das heißt, die bewegen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt.

Der Stern eiert ein wenig, das heißt, er torkelt um diesen Schwerpunkt herum.

Und diese Bewegung kann man in den Linien sehen. Die Blau- oder Rotverschiebung des gesamten

Spektrums ohne die schwarzen Linien wären in der Praxis viel zu schwer zu messen.

Bei Frauenhofer war das noch unmöglich, der hat stationäre Spektren beobachtet. Aber wir können

heute Spektren so weit auseinander ziehen und dabei ganz feine Bewegungen von Spektralen

beobachten und auf diese Weise direkt darauf schließen, ob um einen anderen Stern herum sich

ein Planetensystem bewegt. Wir können aber auch entdecken, ob etwas zwischen uns und den Sternen ist.

Ob da ein Material ist, das das Licht der Sterne verschluckt. Und zwar vor allen Dingen dann, wenn sich

diese Linien nicht bewegen. So wurde das inter- stellare Medium entdeckt. Anhand von nicht bewegten

Absorptionslinien. Da beobachtete jemand ein Doppelsternsystem, also ein Stern der um einen

anderen kreist und da gab es abwechselnd Rot- und Blauverschiebungen und dazwischen waren

Linien, die sich nicht bewegt haben. Während alle anderen Linien sich hin und her bewegt haben,

waren da Calcium-Absorptionslinien, die sich einfach nicht bewegt haben. Und damit war klar, dass

zwischen dem Beobachter und dem Stern ein Material sein muss, dass Teile des Lichts verschluckt

aber in keiner Weise mit der Bewegung des Sterns zusammenhängt. Das interstellare Medium war

entdeckt. Man hat sogar so das interstellare Medium anderer Galaxien entdeckt. Und, noch viel

toller: Man kann anhand bestimmter Linien gar die Rotation von Galaxien beobachten.

Also die Gesamtbewegung eines Objektes, das mehrere 100.000 Lichtjahre groß ist.

Und man kann sehen, wie sich das Material um schwarze Löcher herum bewegt und vieles anderes mehr.

Also die Entdeckung der Absorptions- linien im Spektrum unserer Sonne war der

Beginn einer unglaublichen Entdeckungsreise der Astronomie.