Abitur Saarland Physik 2026 · LK · Spektroskopie

Fraunhofer und der Beginn der Astrospektroskopie

Die Astrospektroskopie umfasst die Analyse der Wellenlängen der Strahlung astronomischer Objekte. Ausgangspunkt war die Entdeckung vieler feiner, dunkler Linien im Spektrum der Sonne durch Joseph Fraunhofer.

1 Man kann sogenannte Fraunhofer'sche Linien z. B. in Spektren beobachten, die man durch die Interferenz des Sonnenlichtes an einem optischen Gitter erzeugt hat (M 1). Zur Vereinfachung wird die Interferenz von Licht an optischen Gittern zunächst für monochromatisches Licht betrachtet.

Material 1: Optische Gitter

Ein Gitter ist vereinfacht gesagt eine Aneinanderreihung vieler Doppelspalte, wobei der Abstand benachbarter Spaltmitten, auch Gitterkonstante genannt, jeweils $g$ beträgt. Für ein Gitter mit $270\text{ Spalten pro mm}$ beträgt der Spaltmittenabstand $g = \frac{1}{270}\text{ mm}$. Für die Beugungswinkel $\alpha_k$ der Maxima $k$-ter Ordnung, die bei der Interferenz von Licht der Wellenlänge $\lambda$ an einem Gitter mit der Gitterkonstante $g$ entstehen, gilt die gleiche Beziehung wie beim Doppelspalt: $\sin \alpha_k = \frac{k \cdot \lambda}{g}$.

a)

Die Abbildungen 2a–c zeigen Interferenzmuster, die entstehen, wenn ein optisches Gitter unter sonst gleichen Bedingungen mit verschiedenfarbigem Licht bestrahlt wird (M 2).

Ordnen Sie die Abbildungen 2a–c den Farben Rot, Blau und Grün zu und begründen Sie Ihre Zuordnung. [4 BE]

Material 3: Interferenz von monochromatischem Licht

Das monochromatische Licht eines Laserpointers fällt senkrecht auf ein optisches Gitter mit $g = \frac{1}{270}\text{ mm}$. Auf einem Schirm, der sich im Abstand von $60{,}0\text{ cm}$ parallel zum Gitter befindet, wird ein Interferenzmuster als Abfolge heller Leuchtpunkte beobachtet (s. Abb. 3). Die Entfernung zwischen Gitter und Schirm kann bis auf $\pm 0{,}05\text{ cm}$, die Abmessungen am Interferenzmuster auf $\pm 0{,}2\text{ cm}$ genau bestimmt werden.

b)

Auf dem Typenschild des Laserpointers ist die Wellenlänge $\lambda = 630\text{ nm}$ angegeben. Es soll nun die Wellenlänge des im Versuch verwendeten Laserlichtes experimentell bestimmt werden.

Ermitteln Sie diese Wellenlänge möglichst genau. Wählen Sie dazu aus Abbildung 3 zwei geeignete Leuchtpunkte begründet aus. [7 BE]

c)

Durch die in Material 3 angegebenen Messunsicherheiten lässt sich für das dargestellte Interferenzmuster eine kleinste und eine größte Wellenlänge des Laserlichtes bestimmen.

Ermitteln Sie diese und entscheiden Sie, ob die Angabe zur Wellenlänge auf dem Typenschild des Laserpointers innerhalb des sich ergebenden Intervalls liegt.

Hinweis: Es genügt die Betrachtung der in Teilaufgabe 1b gewählten Leuchtpunkte. [6 BE]

Ja

Nein

2 Das kontinuierliche Spektrum der Sonne soll modellhaft behandelt werden. Durch die Bestrahlung eines optischen Gitters mit dem weißen Licht einer Experimentierleuchte entsteht das in Material 4 dargestellte Schirmbild.

Material 4: Interferenz von weißem Licht

Das Spektrum des weißen Lichts einer Experimentierleuchte wird in einem Versuchsaufbau mit einem optischen Gitter auf einem Schirm abgebildet. In der Abbildung 4 ist ein Abschnitt des dabei entstehenden Schirmbildes dargestellt, in dem die Bereiche A, B und C jeweils mit einem schwarzen Rahmen gekennzeichnet sind.

a)

Erklären Sie das Zustandekommen des Schirmbildes im Bereich A und das Zustandekommen des Schirmbildes in den Bereichen B.

b)

Im Bereich C des Schirmbildes beobachtet man eine Veränderung des Farbeindrucks, da sich zum Beispiel die Maxima 2. Ordnung roten Lichtes mit den Maxima 3. Ordnung grünen Lichtes überlagern. Somit ist die Bestimmung von Wellenlängen im Bereich C nicht mehr eindeutig.

Überprüfen Sie durch Betrachtung der Beugungswinkel, ob es bei der Verwendung eines Gitters der Gitterkonstante $g = 3{,}70\cdot 10^{-6}\text{ m}$ im Bereich C zur beschriebenen Überlagerung von rotem Licht mit grünem Licht der Wellenlänge $\lambda = 510\text{ nm}$ kommt.

Ja

Nein

c)

Beurteilen Sie, ob durch Tausch des Gitters mit einem Gitter anderer Gitterkonstante das Zusammenfallen von Maxima verschiedener Farben verhindert werden kann.

Ja

Nein

3 Aus den von Joseph Fraunhofer 1814 beobachteten dunklen Linien im kontinuierlichen Spektrum der Sonne konnte darauf geschlossen werden, dass in den äußeren Schichten der Sonne Wasserstoff existieren muss.

Material 5: Emissionslinien von atomarem Wasserstoff

Material 6: Spektrum des Sonnenlichtes

Auf dem Weg des Sonnenlichtes von der Sonne zur Erde (s. Abb. 6a) kann es in verschiedenen Bereichen zur Absorption von Strahlung kommen. Das im Inneren der Sonne entstehende Licht weist ein kontinuierliches Spektrum auf, durchquert dann äußere, gasförmige Schichten im Randbereich der Sonne, in denen es bei Wechselwirkung mit Atomen zur quantenhaften Absorption kommt. Ehe es auf der Erdoberfläche detektiert wird, muss das Licht der Sonne die Atmosphäre der Erde durchqueren.

In der Abbildung 6b ist ein stark vereinfachtes Absorptionslinienspektrum der Sonne dargestellt. Die markantesten Linien bezeichnete Fraunhofer mit Buchstaben. Das Auftreten der Linien A und B kann darauf zurückgeführt werden, dass die Erdatmosphäre Sauerstoff enthält.

a)

Unter geeigneten Bedingungen emittiert atomarer Wasserstoff Licht einzelner Wellenlängen (M 5).

Erläutern Sie unter Verwendung eines qualitativen Energieniveauschemas die prinzipielle Entstehung eines derartigen Emissionsspektrums. [6 BE]

b)

Erklären Sie unter Berücksichtigung der Materialien 5 und 6 die Entstehung der Absorptionslinien von Wasserstoff und Sauerstoff im kontinuierlichen Spektrum des Sonnenlichtes, wenn es von der Erde aus beobachtet wird. [5 BE]