Big Bang HTL 4, Schulbuch

Licht als Träger von Energie 14 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 131 Abb. 14.6: Schematische Darstellung der Orbitale von Gasatomen: a) Geringer Druck: Die Orbitale sind unbeeinflusst. b) Hoher Druck: Es kommt zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Orbitale. Dadurch entstehen viele neue Energieniveaus, die ein kontinuier- liches Spektrum ermöglichen. Der Druck im Inneren eines Sterns ist unvorstellbar groß – im Sonneninneren ist er etwa 100 Milliarden Mal größer als der Luftdruck auf der Erde (siehe Tab. 14.1, F5 ). Dadurch ist auch die Gasdichte extrem hoch. Während in einem dün- nen Gas die Orbitale unbeeinflusst sind, werden sie durch den hohen Druck quasi „gequetscht“ (Abb. 14.6). Dadurch entstehen völlig neue Energieniveaus (Abb. 14.7), und das Gas leuchtet in allen Farben. Unter hohem Druck geht also der „Fingerabdruck“ des Gases verloren – es verliert seine Persönlichkeit. Bei uns auf der Erde kommen übrigens nicht alle Farben des Sonnenlichts an – es fehlen Linien im Spek- trum. Man spricht dann von einem Absorptionsspektrum. Diese fehlenden Linien geben einen Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Sonnenatmosphäre. Ge- nerell ermöglicht der Effekt den Astronomen, auf bequeme Weise die Atmosphäre jedes beliebigen Sterns zu bestim- men, ohne diesen mit einem Raumschiff zu besuchen. relativer Druck Dichte [kg/m 3 ] Erdatmosphäre 1 1 Sonneninneres 10 11 10 5 Eisen – 10 4 Tab. 14.1: Größenordnungen von Druck und Dichte im Inneren der Sonne im Vergleich mit der Erdatmosphäre: Obwohl der Sonnenkern aus Gas besteht, ist er rund 10-mal so dicht wie Eisen! Abb. 14.7: a) Mögliche Energieniveaus eines Phantasiegases bei geringem Druck: Es gibt nur zwei verschiedene Quantensprünge, daher hat das Spektrum nur zwei Linien. b) Bei hohem Druck entstehen so viele neue Niveaus, dass jeder beliebige Quanten- sprung möglich ist (exemplarisch sind 5 Möglichkeiten einge- zeichnet). Das Spektrum wird kontinuierlich. Das Gas im Inneren eines Sterns ist so dicht, dass es wie ein Festkörper wirkt (siehe Tab. 14.1). Das Spektrum von selbst leuchtenden Festkörpern ist immer kontinuierlich. Auch im Glühdraht einer Lampe (Abb. 14.8) kommt es durch die dich- te Packung der Atome zur gegenseitigen Beeinflussung der Orbitale. Deshalb erzeugt auch eine Glühbirne ein kontinu- ierliches Spektrum ( F4 ). Obwohl Sterne und Glühbirnen alle Farben aussenden, haben sie meistens trotzdem eine bestimmte Farbtönung. Das liegt daran, dass die ausgesen- deten Frequenzen unterschiedliche Intensitäten haben. Zusammenfassung Dünne Gase senden Linienspektren aus. Bei Gasen unter hohem Druck kommt es zu einer Beeinflussung der Orbitale und somit zu einem kontinuierlichen Spektrum. Wenn dieses Licht ein Gas durchquert, werden bestimmte Frequenzen abgeschwächt und es entsteht ein Absorptionsspektrum. 14.3 Eineiige Zwillinge Metastabilität und stimulierte Emission Damit du verstehst, wie ein Laser funktioniert, musst du zwei Begriffe verstehen: die angeregte Aussendung eines Photons und den metastabilen Zustand von Elektronen. Abb. 14.8: Die Glühwendel einer Lampe sendet, wie auch jeder Stern, ein kontinuierliches Spektrum aus. Z Ein Elektron kann nur ganz bestimmte Energiepakete absorbieren, zum Beispiel ein Photon mit passender Frequenz. Dadurch wird ein „Quantensprung nach oben“ ausgelöst (Abb. 14.9 a). Was passiert, wenn nun ein zweites, gleiches Photon auftrifft (b)? Welche Arten von Gleichgewicht kann man unter- scheiden? Und in welchem Zustand befindet sich die Kugel in Abb. 14.10 a? Was versteht man unter virtuellen Teilchen und wie entstehen sie? Lies nach in Kap. 12.5! F6 Abb. 14.9: a) Das Photon befördert das Elektron aufs höhere Ener- gieniveau. b) Was passiert aber, wenn das Elektron schon oben ist? F7 Abb. 14.10 F8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv