Einleitung Physik in der Physik Was man aus Strahlung lernen kann Anwendung der Physik in der Physik Wie und wieso kann man aus Strahlung etwas lernen ? Josef Jochum Physikalisches Institut Eberhard Karls Universität Tübingen Welle oder Teilchen ? Elektromagnetische Strahlung Licht als elektromagnetische Welle Spektrale Information durch Beugung von Wellen Was hat die Farbe von Sternen mit der Quantisierung der Strahlung zu tun Licht als Teilchen Spektrale Information durch Messung der Energie von Teilchen Woher wissen wir soviel über die Sterne? Nächster Stern mit Hubble Teleskop Proxima Centauri 4,2 Lichtjahre (~ 40.000.000.000.000 km) Sonnendurchmesser 5 Lichtsekunden ( 1.500.000 km) Auflösung, Pixelgröße 0.025´´ kann aus 4km Entfernung Millimetermaßstab lesen => Wir sehen Sterne nur als Lichtpunkte Sterne haben verschiedene Farben Alnitak, ζ Orionis • • • • • • Oberflächentemperatur: 31000K Leuchtkraft: 10000 x Sonne Masse: 20 x Sonnenmasse Durchmesser: 20 x Sonnendurchmesser Entfernung: 817 Lichtjahre … Elektromagnetische Wellen Schwingungen des Elektrischen Feldes E und des Magnetfeldes B mit Frequenz ν breiten sich aus mit Lichtgeschwindigkeit c (c ~ 300.000.000 m/sek) Wellenlänge C= νλ Licht ist eine elektromagnetische Welle λ Elektromagnetische Wellen Radio Mikrowelle Infrarot 6 9 MHz=10 10000 100 GHz 1 = 10 Sichtbar -5 10 einige 100THz 0,01 10= Ultraviolett 14 16 10 10-6 Frequenz in Hzin = cm 1/s Wellenlänge Röntgen 10-818 10 Gamma 20 -10 10 10 10-12 Frequenzspektrum einer (Schall)-Welle Klangfarben Frequenzspektren Frequenz-Zerlegung von Licht Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz d “d” Beugungsgitter 100 µm 0,1 mm Beobachtung Planckspektrum unterschiedliche Farben Ù unterschiedliche Temperaturen Temperatur ? Bewegung der Teilchen eines Gases Bewegungsenergie der Teilchen ist proportional zur Temperatur Verteilung im thermischen Gleichgewicht: Alle Freiheitsgrade haben ähnliche Energie Temperatur Energie der Teilchen Raumtemperatur kT~0,025eV Sonnenoberfläche Energie ~ kTkT ~ 0.5eV kT bei 7,25*1022K = 1 Joule Boltzmann Konstante k = 1,38*10-23 J/K Thermische Bewegung von Saiten Schwingungsmoden (νο, 2νο, 3νο, ... ) sind Freiheitsgrade. Durch Wechselwirkungen mit der Umgebung enthält jede im Mittel die Energie ~ kT Schwingungen und Temperatur ν = ν0 1 x kT ν ∼ 2ν0 2 x kT ν ∼ 3ν0 3 x kT ν ∼ 4ν0 4 x kT je höher die Frequenz desto mehr Schwingungsmoden => umso mehr thermische Energie Energie Elektromagnetischer Schwingungen auch elektromagnetische Wellen stehen im Energieaustausch mit der Umgebung ⇒ thermische Energie sollte mit der Frequenz anwachsen (die Zahl der möglichen Schwingungen wächst, jede trägt ~kT bei) Max Planck Albert Einstein Quantisierung von Schwingungen Energie einer (elektromagnetischen) Schwingung kann nicht beliebige Werte annehmen, sondern nur Werte in bestimmten Schritten => die Energie ist quantisiert !!! eine Energieportion = ein Quantum 3 Energieportionen 2 Energieportionen 1 Energieportion Quantisierung von Schwingungen ein Quantum hν Planck Konstante h = 6.6*10-34 Js Saitenschwingung 440Hz hat ~1030 solcher Energieportionen Sternenatmosphäre kT ~ hν 3 Energieportionen 2 Energieportionen 1 Energieportion Quantisierung von Schwingungen ein Quantum hν Planck Konstante h = 6.6*10-34 Js Saitenschwingung 440Hz hat ~1030 solcher Energieportionen Sternenatmosphäre kT ~ hν hν => Mindestenergie-Portion wächst mit ν Plancksches Strahlungsgesetz Bei hohen Frequenzen reicht Energie kT in der Umgebung nicht aus die ‘Mindestportion‘ hν anzuregen Wenn hν > kT Die Chancen ein Quantum anzuregen verringern sich schneller, als die Zahl der Moden wachsen kann Plancksches Strahlungsgesetz Bei hohen Frequenz desFrequenzen Maximums Energie kT ν reicht / THz = 1 T /K 17 in der Umgebung nicht aus die ‘Mindestportion‘ ⇒ sichtbar: hν anzuregen 7500K – 12000K Max Planck Albert Einstein ⇒ Abbruch derder Kurve wenn hν > kT Quantisierung Strahlung =>Position Maximum Strahlungsspektrum ⇒ des im Maximums ~ T in Abhängigkeit von der Temperatur Quantisierung => Maximum im Spektrum 30000 K 11000 K 7500 K 30000 11000 2500 K 3900 5300 7500 5900 5300 K 3900 K 2500 K Sterne: Temperatur, Masse, Entfernung, … Temperatur eines Sternes Hertzsprung-Russel-Diagramm Leuchtkraft / Leuchtkraft-Sonne ~ M3.5 steht in direktem ZusammenhangL mit 10.000 der Masse des Sternes und der Leuchtkraft des Sternes 1.000 100 10 Temperatur 1 ⇒ Masse, (absolute) Helligkeit, … Radius, … 0.1 1 3 10 mit scheinbarer Helligkeit Masse / Sonnen-Masse ⇒ Abstand 30 Elektromagnetische Wellen Radio 10000 Mikrowelle 100 1 Infrarot 0,01 Sichtbar 10-5 Ultraviolett 10-6 Röntgen 10-8 Gamma 10-10 10-12 Wellenlänge in cm Energie hν ~meV ~ 2eV ~ 20eV ~keV ~MeV Anwendung - Temperaturmessung Elektronen, Atome und Licht (-Teilchen) Lichtquant (Photon) Energie Auf Keplerschen Ellipsenmit hetzen gemäß den KeplerschenhGesetzen ν = E6 – E5 die Elektronen froh und gern wohl um den positiven Kern. Doch sind hierbei, wie Bohr behaupt, diskrete Bahnen nur erlaubt. Energieniveau nn= 5 =12 6 Am liebsten weilt es nah am Kern, und dünkt ihm mal ein Weg zu fern, bestimmte dann - schwuppdiwupp und mit ElanEnergie springt's rasch in eine tiefere Bahn. Dabei wird Energie entbehrlich; EE12 die setzt uns Einstein 5 klug und herrlich 6 gleich h mal ν - ein stolzes Wort – und schickt als Strahlungsquant es fort. des Elektrons Hubert Cremer aus "Carmina Mathematika" (um 1920) Lichtquant (Photon) mit Energie hν = E12 – E6 Spektraler Fingerabdruck eines Atoms Frequenzen der Spektrallinien sind charakteristisch für die Atomsorte Wenn die Spektrallinien beobachtet werden ⇒ Dieses Element muss vorhanden sein Emissions- und Absorptions-Spektren Absorptionslinien =>Elemente in der Sternatmosphäre He I HI Ca II Fe I, Ti II, TiO Joseph von Fraunhofer 1814 Elementverteilung, Temperatur, Druck, Geschwindigkeiten, … in der Sternatmosphäre Das Tübinger Rowland-Gitter Reflektions-Gitter 110.000 eingravierte Striche Gitterabstand ~1µm hergestellt 1901 Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld Paschen/Back 1912/13 – Physikalisches Institut Tübingen kein Magnetfeld mittleres Magnetfeld hohes Magnetfeld von Henry A.Rowland (USA) Elektronen, Atome und Licht (-Teilchen) e+ Detektor – Messung der Energie des Photons -+ + e- e+ Stärke des Stromsignals + ee+ e⇒ Anzahl der Elektronen ν des Photons ⇒+ Energie h+ e-+ e- + e- Licht: Welle - Teilchen Photon + Atom Atom+ + Elektron- γ +A γ A+ + e- e- e- Nachweis von Licht-Teilchen (Photonen) durch Reaktion (Wechselwirkung) der Teilchen mit Atomen Elektromagnetische Wellen Radio 10000 Mikrowelle 100 1 Infrarot 0,01 Sichtbar 10-5 Ultraviolett 10-6 Röntgen 10-8 Gamma 10-10 10-12 Wellenlänge in cm Energie hν ~meV ~ 2eV ~ 20eV ~keV ~MeV Röntgenfluoreszenz-Analyse im Elektronenmikroskop Rö nt ge nD N Elektronenmikroskop a e refl chwei te s k ek to Ele tierte ktro r r nen Elektronenstrahl Probe Röntgenfluoreszenz-Analyse im Elektronenmikroskop 100 nm Überlagerung von Wellen - Interferenz d “d” Bestimmung der Abstände im (Kristall)-Gitter Perowskit Nachweis von Röntgen-Teilchen Beugung von Röntgen-Wellen Natrium-Chlorid Einkristall ca. 0,1 mm3 Röntgenquelle: ν ∼ 10 Mil. THz λ<1Å Energie hν ∼ 20keV RöntgenDetektor Wolfram Elektromagnetische Wellen Radio 10000 Mikrowelle 100 Energie hν 1 Infrarot 0,01 Sichtbar 10-5 Ultraviolett 10-6 Gamma-Strahlung Wellenlänge in cm wird emittiert bei Abregung eines Atom-Kernes ⇒ höhere Energie ~meV ~ 2eV ~ 20eV Röntgen 10-8 ~keV Gamma 10-10 10-12 ~MeV Spektroskopie – Gamma-Strahlung 214Pb 214Bi 226Ra Zusammenfassung Es gibt viele viele andere Strahlungsarten (α, β, p, n, π, µ ...) Energie-Spektren, Reaktionen und Beugungserscheinungen spielen eine große Rolle, um aus Strahlung etwas zu lernen! Unsere Kenntnisse über den inneren Aufbau und die Eigenschaften der Materie basieren zum größten Teil auf spektroskopischen Untersuchungen Quantisierung der Strahlung ⇒ Zusammenhang Temperatur und Farbe ⇒ spektraler Fingerabdruck der Elemente Je nach Art der Messung kann der Wellen- oder der Teilchen-Charakter der Strahlung sichtbar werden. Überlagerung von Wellen - Interferenz Überlagerung von Wellen - Interferenz b b Frequenz-Zerlegung von Licht Teilchen im Festkörper – Energie ~ kT Membran-Schwingung - zweidimensional Elektronen, Atome und Licht (-Teilchen) Lichtquant (Photon) mit Energie hν = E6 – E5 Energie hν im eV-Bereich => sichtbares Licht Lichtquant (Photon) mit Energie hν = E12 – E6 Bestimmung der Abstände im (Kristall)-Gitter Perowskit RöntgenDetektor Beugungswinkel Natrium-Chlorid Einkristall ca. 0,1 mm3 Röntgenquelle: ν ~ 10 Millionen THz => λ < 1 Å 2θ Im Pulver liegt die Probe in allen Orientierungen vor: Die einzelnen Reflexe erscheinen deshalb auf Kreisen um den Primärstrahl Wolfram
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