Enstehung der Fraunhoferlinien
Schritt-für-Schritt Herleitung
Basiswissen
Das sichtbare Licht der Sonne bildet ein kontinuierliches Farbspektrum. Es ist jedoch an manchen Stellen durch schwarze Lücken unterbrochen, die Fraunhoferlinien. Hier wird in kleinen logischen miteinander verbundenen Schritten die Enstehung erklärt.
Drei Effekte liegen dem Phänomen zugrunde
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) Enstehung 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 kontiniuerliches Spektrum.
- Warum das so ist, wird im nächste Schritt erklärt.
b) Verbreiterung der Spektrallinien
- Im vorherigen Schritt wurde erklärt, wie Atomarten Spektrallinen 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 enstpricht 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.
- Ausgesante 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) Absoroption von Spektrallinien in der Chromosphäre
- Licht aus der Photosphäre bewegt sich nach außen und gelangt in die Chromsophäre.
- Die Chromsosphäre 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 Wellenlängebereiche.
- 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 aneregten 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) Absoroption 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 herausgefiltert.
- 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 herausgefiltert.
- 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.
Original-Literatur
- Schwarzschild: Sitzungsbereich der Preußischen Akademie der Wissenschaft. Math-phys. Klasse 1914. Seite 1183.