Entstehung der Fraunhoferlinien

Physikalisch

Basiswissen｜ Einführung｜ Drei Erklärungen｜ a) Entstehung von Spektrallinien in der Photosphäre｜ b) Verbreiterung der Spektrallinien｜ c) Absorption von Spektrallinien in der Chromosphäre｜ c) Absorption von Spektrallinien in der Erdatmosphäre｜ Fußnoten

Basiswissen

Das sichtbare Licht der Sonne oder einer Glühbirne bildet ein kontinuierliches Farbspektrum. Das Licht der Sonne ist jedoch an manchen Stellen durch schwarze Lücken unterbrochen, die Fraunhoferlinien. Hier wird in kleinen logischen miteinander verbundenen Schritten die Entstehung erklärt.

Einführung

Um etwa 1910 stand das Problem im Raum, dass bestimmte Atomsorten in Laborversuchen Licht mit immer nur ganz typischen Farben und damit auch typischen Wellenlängen zu erzeugen scheint. Man betrachtete sich etwa das Licht von angeregtem Wasserstoffgas und zerlegte es in seine Spektrallinien. Dabei kam heraus, dass Wasserstoff nur ganz bestimmte Wellenlänge abstrahlt. Es gab damals aber keine tiefere Theorie von Atomen, die das hätte vorhersagen oder erklären können. Erst mit dem Atommodell nach Niels Bohr begann man die Prozesse in den Hüllen der Atome theoretisch so zu fassen, dass zu jeder Atomsorte immer nur wenige mögliche Wellenlängen von Licht gehören.

Nach Niels Bohr erzeugen Atome einer bestimmten Sorte immer nur einige wenige Arten von Lichtfarben.

Nun weiß man aber auch, dass die Sonne im Wesentlichen aus Wasserstoff, etwas Helium und mengenmäßig dann weit untergeordnet auch anderen Elementen besteht. Das berechtigt zur Frage, wie der Wasserstoff denn dann überhaupt ein mehr oder minder breites Spektrum an Farben im Sonnenlicht erzeugen kann, wenn doch nach Bohr nur einige wenige Farben erlaubt sein dürften.

Tatsächlich entsteht das für uns sichtbare Licht der Sonne in einer nur etwa 300 bis 400 Kilometer dicken Schicht nahe der Oberfläche der Sonne. Man kann annehmen, dass dort neben Wasserstoff auch noch viele andere Elemente das Licht erzeugen.^[2] Wie dem auch sei, es gibt mehrere Mechanismen, wie auch aus reinem Wasserstoff ein mehr oder minder kontinuierliches Spektrum mit nur einigen wenigen Lücken, der Fraunhoferlinien, entstehen kann.

Drei Erklärungen

Die Fraunhoferlinien basieren auf drei voneinander unabhängigen physikalischen Effekten: a) In Atomen werden durch Elektronenübergänge (Quantensprünge) Photonen definierter Wellenlängen emittiert. Diese Photonen würden ohne weitere Effekte ein Linienspektrum ergeben. b) Verschiedene Faktoren, zum Beispiel die Temperatur, bewirken eine Verbreiterung oder Verschmierung der erzeugten Linien. Dadurch entsteht ein kontinuierliches Spektrum. Und c) Aus diesem kontinuierlichen Spektrum werden bestimmte, eng begrenzte Wellenlängenbereich wieder entfernt, also absorbiert. Alles diese drei Schritte laufen im Bereich der Sonnenatmosphäre ab.

a) Entstehung von Spektrallinien in der Photosphäre

Lichtquanten können durch sogenannte Elektronensprünge entstehen.

Um Atomkerne kann sich ein Elektron in verschiedenen Energieniveaus aufhalten.

Es kann passieren, dass ein Elektron auf einem niedrigen Niveau fehlt.

Dann fällt ein Elektron aus einem höheren Niveau in diesen Platz hinein.

Das "herunterfallende" Elektron gibt dabei Energie in Form eines Quants ab.

Diesen Vorgang nennt man einen Elektronenübergang oder auch Quantensprung.

Das Quant ist das ausgesandte Lichtteilchen, es hat eine feste Wellenlänge.

Die Wellenlänge hängt direkt mit den sichtbaren Farbe des Lichts zusammen.

Bestimmte Atomarten erzeugen üblicherweise nur wenige Wellenlängen.

Dieser Prozess läuft in der sogenannten Photosphäre der Sonne ab.

Dort existieren verschiedene chemische Elemente (Atomarten).

Sie erzeugen die Spektrallinien über Elektronenübergänge.

Zu erwarten wären die für Atomarten typischen Wellenlängen.

Das heißt: zu erwarten wäre ein diskretes Linienspektrum.

Tatsächlich aber sieht man ein kontinuierliches Spektrum.

Warum das so ist, wird im nächste Schritt erklärt.

b) Verbreiterung der Spektrallinien

Im vorherigen Schritt wurde erklärt, wie Atomarten Spektrallinien erzeugen.

Tatsächlich besteht das Licht der Photosphäre aber nicht aus einzelnen Linien:

Die Linien zerfließen nahtlos ineinander und bilden ein kontinuierliche Spektrum.

Normalerweise erzeugt ein bestimmter Elektronenübergäng nur eine Linie.

Eine Linie entspricht dabei einer bestimmten Wellenlänge des ausgesandten Quants.

Es muss also Effekte geben, wie aus einem Übergang unterschiedliche Wellenlängen entstehen.

Es gibt mehrere solche Effekte, die zum Teil sehr schwer zu verstehen sind.

Hier wird nur beispielhaft einer der Effekte angedeutet:

Die Atome in der Photosphäre haben eine Temperatur.

Eine hohe Temperatur heißt immer auch: hohe Teilchengeschwindigkeit

Die Atome der Photosphäre bewegen sich sehr schnell und in unterschiedlichen Richtungen.

Ausgesandte Photonen unterliegen damit dem Dopplereffekt:

Bewegen sie sich auf uns zu, erscheint dem Beobachter die Wellenlänge verkürzt.

Bewegen sie sich von uns weg, erscheint dem Beobachter die Wellenlänge verlängert.

Da viele Geschwindigkeiten vorkommen, kann jede ausgesandte Wellenlänge ...

in viele verschiedene andere Wellenlängen verändert werden.

Dies ist eine Möglichkeit für eine Auffächerung der Spektrallinien.

Weitere Möglichkeiten stehen unter 👉 Spektrallinienverbreiterung

Das Licht, welches also die Photosphäre verlässt bildet ein kontinuierliche Spektrum.

Im folgenden Schritt wird erklärt, wie einzelne Linien daraus entfernt werden.

c) Absorption von Spektrallinien in der Chromosphäre

Licht aus der Photosphäre bewegt sich nach außen und gelangt in die Chromosphäre.

Die Chromosphäre ist weniger dicht aber sehr viel dicker als die Photosphäre.

In der Chromosphäre gibt es verschiedene chemische Elemente.

Sie erzeugen per se keines oder nur wenig Licht.

Sie absorbieren aber bestimmte Wellenlängenbereiche.

Durch die Absorption wird je ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben.

Das entsprechende Atom bezeichnet man als angeregt.

Ein Photo aus dem ursprünglichen Spektrum des Lichts der Photosphäre ist entfernt.

Meist fällt das Elektron des angeregten Atoms kurze Zeit später wieder in ein tieferes Niveau.

Dabei wird ein Photon genau derselben Wellenlänge wie das aufgenommene emittiert.

Der springende Punkt ist: es wird in eine zufällige Richtung emittiert.

Aus dem ursprünglichen Strom von Photonen hin zur Erde, sind jetzt ...

im Endeffekt Photonen bestimmten Wellenlängen in andere Richtungen umgelenkt.

Diese "umgelenkten" Elektronen reisen nicht weiter zur Erde:

Sie fehlen im Spektrum und bilden 👉 Fraunhoferlinien

c) Absorption von Spektrallinien in der Erdatmosphäre

Von der Sonne reisen also Photonen zur Erde:

In diesem Photonenstrom fehlen manchen Spektrallinien.

Sie wurden in der Chromosphäre der Sonne sozusagen heraus gefiltert.

Nach etwa 8 Minuten und 20 Sekunden treffen die Photonen auf der Erde ein.

Dort müssen sie die Lufthülle der Erde, die Erdatmosphäre durchdringen.

Dabei werden bestimmte Wellenlängen wiederum von Atomarten heraus gefiltert.

Der Effekt ist von der Art her derselbe wie jener aus der Chromosphäre.

Die Fraunhoferlinien entstehen also sowohl in der Sonne als auch auf der Erde.

Fußnoten

[1] Schwarzschild: Sitzungsbericht der Preußischen Akademie der Wissenschaft. Math-phys. Klasse 1914. Seite 1183.

[2] Ähnlich wie die Erde ist auch die Sonne schalenartig aufgebaut. In einem der äußeren Bereiche entsteht das für uns sichtbare Sonnenlicht. Das ist die sogenannte 👉 Photosphäre