Projekt Regenbogen: Ein Zwischenstop bei Fraunhofer

Es ist schon eine Zeitlang her, da hab ich von meinen Versuchen erzählt, Messier 40 zu fotografieren. ich denke, es ist an der Zeit, das Ergebnis der Session zu zeigen, auch wenn nur Schwarz-Weiß ist.

Links unten im Eck die beiden hellen Sterne sind das, was Charles Messier damals als vierzigstes Objekt in seinen Katalog der nebelartigen Objekte aufgenommen hatte. Rechts im Bild sind ein paar Galaxien zu sehen. Und einige der Sterne, sie sonst noch zu sehen sind, sind gar keine Sterne. Es sind vielmehr Objekte, von denen ich nicht erwartet hätte, sie mit meinen Hausmitteln darstellen zu können.

So startete das Projekt Regenbogen, das über den Umweg der Natur des Lichtes und der Farbe zu eben diesen Objekten führen soll. Und wenn das Projekt schon so heißt, dann durfte natürlich in meinen Betrachtung ein Regenbogen auch nicht fehlen.

Ein klasse Regenbogen

Der bisherige Weg führte mich zu der Erkenntnis, daß weißes Sonnenlicht durch Lichtbrechung in einem Prisma in seine Spektralfarben, die Regenbogenfarben zerlegt wird. Und wenn man es richtig macht und ganz genau hinschaut, kann man vielleicht sogar eigenartige schwarze Linien in diesem Regenbogenspektrum erkennen.

Schaun wir uns mal genauer an, was es mit diesen schwarzen Linien so auf sich hat. Dazu möchte ich zu einem kleinen Ausflug einladen, zu einem Ausflug in die Vergangenheit.

Vor mehr als 200 Jahren arbeitete Josef von Fraunhofer daran, optische Linsen, die er fertigte, zu verbessern. Bei seinen Versuchen ließ er durch einen schmalen Spalt Sonnenlicht auf ein Prisma fallen und untersuchte das resultierende Farbspektrum. Dabei stellte er fest, daß dieses Spektrum von vielen senkrechten dunklen Linien durchzogen war. Er vermaß diese Linien genau, konnte sich aber deren Natur nicht so recht erklären.

Fraunhofer veröffentlichte seine Arbeit in den Denkschriften der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. Die Veröffentlichung erfolgte in Schwarz-Weiß (wie mein M40-Bild 🙂 ) Die Drucktechnik war damals wohl noch nicht soweit, es mit dem Farbreichtum der Regenbogenfarben aufzunehmen.

Ein paar Jahre später kolorierte Fraunhofer ein paar Blätter mit den Farbspektren von Hand. Zwei davon befinden sich im Deutschen Museum in München.

Foto: Deutsches Museum

Ich hab es mir nicht nehmen lassen, eine kleine einfache Apparatur zu basteln, mit deren Hilfe ich diese schwarzen Linien mehr oder weniger deutlich erkennen kann.

Sieht abenteuerlich aus, das Teil, erfüllt aber seinen Zweck. Ich kann ein paar der Fraunhoferlinien sehen. Es gibt sie also wirklich, diese eigenartigen dunklen Linien im Sonnenspektrum.

Ein halbes Jahrhundert nach der Veröffentlichung beschäftigten sich Robert Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff mit der Ausmessung von Spektren und kamen dabei der Bedeutung der Fraunhofer-Linien auf die Spur.

Picken wir uns eine dieser Linien heraus, und zwar die dicke Linie im gelben Farbbereich des Spektrums. Die Wellenlänge sollte bei 589nm liegen. Die schwarze Linie ist an genau dieser Stelle zu sehen, weil im Sonnenlicht das gelb-orange Licht der Wellenlänge 589nm fehlt.

Warum denn das?

Nun, das weiße Licht der Sonne erlebt auf dem Weg zu uns einige Abenteuer. Das beginnt schon in der Sonne selbst. Ständig stellen sich ihm, zum Beispiel in der Photosphäre, irgendwelche Stoffe in den Weg. Die Sonne aber ist kräftig gebaut und so ist ihr Licht stark genug, sich seinen Weg durch diese Hindernisse zu bahnen. Dennoch muß es dabei Federn lassen. Gewisse Farben werden von den Stoffen schlichtweg absorbiert. Und diese Farben fehlen dann in dem Lichtbündel, das unser Auge erreicht.

Die fehlenden Farben im Sonnenlicht sind im Farbspektrum als schwarze Linien erkennbar. Und da sie ihren Ursprung in der Absorption von Licht gewisser Wellenlängen haben, werden sie Absorptionslinien genannt. Das Sonnenspektrum mit den Fraunhofer-Linien ist also ein sogenanntes Absorptionsspektrum.

Und was hat das nun mit unserer gelben 589nm-Linie zu tun?

Natrium ist Bestandteil von Kochsalz, drum heißt Kochsalz auch Natriumchlorid. Schüttet man nun etwas von dem Kochsalz in eine Gasflamme (Bunsenbrenner), so färbt sich die Flamme durch das verbrennende Natrium gelblich-orange.

Schaut man sich das Farbspektrum dieser gelben Gasflamme durch ein Prisma an, so wird man ein gänzlich anderes Spektrum erhalten als beim Sonnenlicht. Man wird einige mehr oder weniger dicke farbige Linien sehen, der Rest des Spektrums ist schwarz. Und eine dieser farbigen Linien ist unser gelb-oranges Natrium-Licht mit der Wellenlänge von 589nm.

Wir haben es hier mit einem Emissionsspektrum zu tun, bei dem das Licht einer Lichtquelle ohne große Umwege direkt in einem Prisma in seine Spektralfarben zerlegt wird.

Wenn nun ein Element wie unser Natrium Licht abstrahlt, so sind die entstehenden Emissionslinien typisch für dieses Element. Natrium erzeugt also ein paar für es typische Emissionslinien, wobei die gelb-grüne 589nm-Linie die auffälligste ist. Glühendes Eisen dagegen überfällt uns mit mehr als 100 dieser Farblinien.

Zurück zum Absorptionsspektrum.

Schickt man weißes Licht durch ein Prisma, entsteht ein wunderbares Band mit Regenbogenfarben. Das konnten wir bereits feststellen. Muß das weiße Licht sich seinen Weg zum Prisma aber erst durch irgendwelche Gaswolken bahnen, so werden Farben von den in den Gaswolken enthaltenen Teilchen absorbiert und fehlen dann im Spektrum. Die Wellenlängen, die absorbiert werden und damit die Absorptionslinien sind typisch für die in den Gaswolken enthaltenen Elemente.

Und was hilft uns das Ganze?

Ein Stoff kann für ihn typische Licht-Wellenlängen absorbieren oder er kann für ihn typische Licht-Wellenlängen abstrahlen. Egal, ob Absorption oder Emission, die beteiligen Licht-Wellenlängen sind gleich und für den Stoff typisch.

Und was kann ich mit dieser Erkenntnis anfangen?

Licht ist ein Informationsträger. Wir brauchen nur ein Lichtspektrum anzusehen und schon wissen wir, welche Stoffe an seiner Entstehung beteiligt waren. Ist ganz praktisch, sowas. Denn so brauchen wir nicht erst zur Sonne zu reisen, um festzustellen, daß in ihrer Photosphäre Natrium enthalten ist. Wir sehen das nämlich an den für Natrium typischen Absorptionslinien. Und was für unsere Sonne gilt, gilt auch für weit entfernte Sonnen und Galaxien. Wir brauchen uns nur die Linien in ihrem Farbspektrum anzusehen und schon wissen wir etwas mehr darüber, aus was diese Sterne und Galaxien bestehen.

Ein wenig vorsichtigig müssen wir bei unseren Behauptungen über die Zusammensetzung der Sterne dennoch sein.

Warum den das?

Im Fraunhofer-Spektrum der Sonne sind unter anderem für Sauerstoff typische Linien enthalten. Diese haben ihren Ursprung aber nicht in der Sonne, sondern im Sauerstoff der Erdatmosphäre. Das Sonnenlicht muß auf seinem Weg zum Spektrometer ja schließlich auch durch die Erdatmosphäre.

Jetzt weiß aber immer noch nicht, was diese Fraunhofer-Linien mit den seltsamen Objekten im M40-Bild zu tun haben.

Geduld, darüber werde ich im letzen Artikel des Regenbogen-Projekts erzählen. Davor muß ich aber einen weiteren Artikel einschieben, der uns in die Welt des Allerkleinsten führt. Ich hatte eigentlich geplant, diese bizarre Welt noch in diesem Artikel abzuhandeln, gebe aber zu, daß ich den Umfang des Stoffes doch etwas unterschätzt habe.

Also Geduld bis zum nächsten Artikel des Projektes Regenbogens, demnächst in diesem Theater.

Projekt Regenbogen:

Ein klasse Regenbogen
42
Licht und Farbe
Wie entsteht ein Regenbogen?
Totalreflektion
Der Beobachtungswinkel zum Regenbogen
Projekt Regenbogen: Ein Zwischenstop bei Fraunhofer

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