Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Mittwoch, 3. Februar 2021

Dopplereffekt in der Astronomie X: Der Dopplerkern

 Der Dopplereffekt macht sich auch im Atomaren bemerkbar.

Wir wissen ja, dass Atome nur bei ganz bestimmten Energiebeträgen absorbieren und emittieren können.

Ein Elektron muss mit der Energie h*f des Photons einen Quantensprung zu einem höheren Niveau machen können.

Hat das Photon zu wenig oder zu viel Energie, passiert nichts...

Und umgekehrt: Macht ein Elektron einen Quantensprung zu niedrigerer Energie, dann wird genau ein Photon mit der Energiedifferenz abgestrahlt. 

Wir wissen aber, dass die Energie E eines Photons umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ des Lichtes ist:

E = h * c / λ

h ist die Plancksche Konstante, die kleinst mögliche Wirkung, und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Wenn man sich Spektrallinien ansieht, sind die aber nicht unendlich schmal.

Einmal sind Spektrallinien die Abbildungen des Eingangsspaltes des Spektrographen, und der kann nicht unendlich schmal sein, sonst käme ja gar kein Licht durch.

Andererseits  gestattet die Unbestimmtheitsbeziehung, dass auch falsche Energiebeträge emittiert oder absorbiert werden können, aber mit einer schnell abfallenden Wahrscheinlichkeit, wenn die Abweichung größer wird.

Registriert man ein Spektrum mit dem Intensitätsverlauf, so entsteht ein Linienprofil, an dem man nichts ändern kann:

Der Spalt ist da und die Unbestimmtheitsbeziehung ein Naturgesetz.

Und nun kommt der Dopplereffekt:

Nehmen wir mal an, ein Photon hat zu wenig Energie für eine Anregung. Fliegt nun, auf Grund der Temperatur, ein Atom zufälligerweise dem Photon entgegen, so hat das Photon für das Atom eine kürzere Wellenlänge. Dadurch steigt die Absorptionswahrscheinlichkeit.

Je heißer das Gas ist, desto mehr können die Wellenlängen abweichen.

Die Geschwindigkeitsverteilung im Gas ist etwa eine Normalverteilung, deshalb sind die inneren Teile eines Linienprofils ungefähr normalverteilt.

Wir nennen sie den Doppler-Kern.

Noch stärkere Abweichungen sind durch die gegenseitigen Störungen der Atome durch die Dichte und den Gasdruck möglich. Der äußere Teil eines Linienprofils heißt deshalb Dämpfungsflügel. Er gleicht einer 1/x-Funktion. 

Voigt, Abriss der Astronomie

Wasserstofflineiein Emission, Universitätssternwarte München

Wasserstofflinie in Absorption, eigene Aufnahme




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