Einführung in die Spektroskopie für Amateure - ESO

Kapitel 4
Zur Physik optischer Spektren
Dr. Andreas Ulrich
4.1 Einleitung
Die spektrale Zusammensetzung des Lichtes, das von astronomischen Objekten zu
uns kommt, enthalten die Information über den physikalischen Zustand der Objekte,
die dieses Licht aussenden. Dass dies so ist, war eine wichtige Erkenntnis, die in der
Wechselwirkung zwischen Laborphysik und Astronomie entstanden ist und zeigt, dass
das ganze Weltall den gleichen physikalischen Gesetzen gehorcht. Aus dem Verständnis
der optischen Spektren von Materie in verschiedenen physikalischen Zuständen
kann damit auf die Bedingungen, die im Weltall herrschen geschlossen werden. Diese
kleine Einführung soll das Interesse an diesen Zusammenhängen wecken. Es wird zunächst
diskutiert, wie Temperaturen spektroskopisch gemessen werden können. Dann
werden die Emission und Absorption freier Atome und Moleküle und schließlich die
Strahlungseigenschaften von Plasmen betrachtet.
4.2 Thermische Strahler: Kontinuierliche Spektren
In der Physik gilt es, zunächst möglichst einfache, idealisierte Verhältnisse zu verstehen,
um dann auf komplexere, reale Gegebenheiten zu schließen. Erstaunlicherweise
gelingt dies oft sehr gut, so auch im ersten Beispiel zu unserem Thema: Der Strahlung,
die ein Körper aussendet, der durch eine einheitliche Temperatur T beschrieben
werden kann. Die Frage, die sich die Physik Ende des vergangenen Jahrhunderts angesichts
der damals bereits wohl verstandenen Wärmekraftmaschinen gestellt hat war,
wie denn das elektromagnetische Spektrum in einer völlig geschlossenen „Kiste“ aussieht,
deren Wände auf eine einheitliche Temperatur T aufgeheizt werden. Dass es
darin leuchtet ist von jedem Ofen bekannt, der hinreichend stark geheizt wird. Man
kann sich vorstellen, dass Licht von den Wänden ausgesandt wird und natürlich im
Innern der Kiste irgendwann wieder absorbiert wird. So werden sich alle Unterschiede
ausgleichen und das Spektrum -also die Intensität des Lichtes in Abhängigkeit von der
Wellenlänge- sollte, so wie die universelle Geschwindigkeitsverteilung von Teilchen
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