Chemie-Lexikon/Dichte und Oberstufen-Chemiebuch Kontextorientiert/Der Griff nach den Sternen - chemisch betrachtet!: Unterschied zwischen den Seiten

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{{SORTIERUNG:{{SUBPAGENAME}}}}[[File:Wormhole travel as envisioned by Les Bossinas for NASA.jpg|thumb|Warp-Antrieb oder Wurmlöcher ... leider noch nicht!]]
==Worum geht es hier==


Wenn etwas im Wasser untergeht sagt man gerne ''"das war zu schwer"''. Aber, was ist mit ganzen Baumstämmen? Sind die leicht, weil sie nicht untergehen? Nein, das kann es nicht sein, denn sicher ist ein großer Baumstamm nicht gerade leicht. Und dann geht ja selbst der leichteste Stein im Wasser unter.


<gallery heights="220px" mode="packed" style="text-align:center">
''Warum wissen wir eigentlich so viel von den Sternen? Es war doch noch nicht jemand außerhalb des Sonnensystems!''
File:Floss.jpg|Große Holzstücke schwimmen ...
File:Aberdesach MMB 06.jpg|... aber selbst die kleinesten Steinchen gehen unter.
</gallery>


Also, damit es ist ganz klar, dass das Gewicht nicht die Eigenschaft sein kann, weswegen etwas schwimmt oder eben untergeht.


'''Woran liegt es also?'''


Zunächst einmal sollte man, damit man zwei Stoffe wirklich vergleichen kann, die gleiche Menge davon nehmen. Denn es ist klar, dass wenn man ein große Portion von einem Stoff hat, diese Portion natürlich auch schwerer ist als eine kleinere.  
== Was bei uns ankommt! ==
<div class="grid">
<div class="width-2-3">
Ja, im Grund genommen wissen wir nur das, was bei uns ankommt ... und das ist das Licht der Sterne. Doch genau das kann helfen zu erfahren, welche Elemente dort in den Weiten zu finden sind.


Betrachten wir also kleine Würfelchen mit der Seitenlänge von 1 cm, die damit alle das gleiche Volumen von 1cm³ haben. Wiegt man diese Würfel, so stellt man fest, dass die Würfel aus verschiedenen Materialien alle unterschiedlichen Massen haben.
Was uns als weißes Licht erscheint ist ja ein Gemisch aus sichtbaren elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlänge. Wie stark das Licht gebrochen wir hängt von dem Wellenlänge ab und so kann man mit Hilfe des Prisma die "Bestandteile" des weißen Licht erkennen.


<div class="grid">
Den Prismen-Effekt als Hilfsmittel für analytische Zwecke erfand der deutschen Optiker {{wpde|Joseph_von_Fraunhofer|Joseph von Fraunhofer}}, der 1814/15 dunkle Spektrallinien im Sonnenspektrum entdeckte. Er nannte diese Untersuchungsmethode des Lichts Spektroskopie.</div>
<div class="width-1-2">
<div class="width-1-3">[[Datei:Dispersive Prism Illustration.jpg]]
{| class="wikitable"
<center>Lichtbrechnung am Prisma</center>
|-
! Stoff !! Masse von 1 cm³
|-
| Eisen || 7,874 g/cm³
|-
| Aluminium || 2,6989 g/cm³
|-
| Blei || 11,342 g/cm³
|-
| Holz <br> <small>''(je nach Holzart)''</small>|| z.B. zwischen 0,47 g/cm³ (Fichte) und 0,69 g/cm³ (Esche)
|-
| Kunststoff <br> ''(z.B.Poylethylen)'' || zwischen 0,915 g/cm³ und 0,97 g/cm³
|-
| usw. || ...
|}
</div>
<div class="width-1-2">
[[Datei:Kräfte am eingetauchten Körper.jpg]]
''Hier kommt ein Foto hin!''
</div>
</div>
</div>
</div>


So zeigt sich deutlich, dass 1 cm³ von Holz wesentlich leichter sind, als etwa 1 cm³ Eisen. Die gleiche Menge an Holz ist also leichter als die entsprechende Menge an Eisen.
Die hauptsächliche Leistung Fraunhofers bestand darin, dass er sehr akribisch und wissenschaftlich genau bei seinen Forschungen vorgegangen ist und so die schon vorhandenen sogenannten Achromatischen Objektive, die einen sonst typischen Farbfehler bei Linsen vermieden, perfektionierte. Er begründete damit Anfang des 19. Jahrhunderts den Fernrohrbau für die Wissenschaft.


Da man von einem Stoff nicht immer ein 1 cm³-Würfelchen zur Hand hat, müsste man die Masse eines Stoffes mit seinem Volumen vergleichen. Berechnet man den Quotienten aus Masse und Volumen, so erhält man eine Zahl die man als '''DICHTE''' bezeichnet.
1858 entwickelten die Deutschen Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen die Idee weiter zur Spektralanalyse. Die weiter fortschreitende Verbesserung der Geräte und Methoden, wie auch die Nutzung weiterer Frequenzbereiche außer dem sichtbaren Licht, mündete 1925 in die Bestimmung der Entfernung des Andromedanebels durch Edwin Hubble, nach dem heute ein Weltraumteleskop benannt ist.


{{Box|MERKE Difinition der Dichte|2=
<gallery widths=250 heights=250 style="text-align:center" mode="packed">
<math>Dichte = \frac{Masse}{Volumen}</math> oder mit Symbolen <math>\rho =\frac{m}{V}</math>.
File:Fraunhofer spectroscope.JPG|Gemälde, das zeigt, wie Fraunhofer (Mitte) das Spektroskop demonstriert
File:PSM V15 D831 Spectroscope set up completed.jpg|Skizze eine Spektroskops von 1879
File:NSRW Spectroscope1.png|Die schematische Darstellung eines alten Spektroskops
</gallery>


'''Einheit der Dichte:''' <math>\frac{g}{cm^3}</math> bei Feststoffen und Flüssigkeiten oder <math>\frac{g}{l}</math> bei gasförmigen Stoffen |3=Merksatz}}
== Was steckt chemisch dahinter? ==
Das Bohrsche Atommodell wurde 1913 von Niels Bohr entwickelt. Atome bestehen bei diesem Modell aus einem schweren, positiv geladenen Atomkern und leichten, negativ geladenen Elektronen, die den Atomkern auf geschlossenen Bahnen umkreisen. Anders als ältere Atommodelle zeigt das Bohrsche Atommodell viele der am Wasserstoffatom beobachteten Eigenschaften.


:Bei dem "komischen Buchstaben <math>\rho</math>, der fast wie ein "p" aussieht, handelt es sich um einen griechischen Buchstaben, wie ihr sie auch von der Winkelbenennung kennt. Hier ist es das kleine "rho" ''(lies: roh)''.
Die Vorgeschichte zur Entwicklung des Bohrschen Atommodells ist die Entdeckung der Spektrallinien beim Wasserstoff-Atom in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Das folgende Bild den sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums sowie einen Teil aus dem ultravioletten Teil des Spektrums, da der Sensor der Kamera diesen Bereich auch emfangen kann.


Die '''DICHTE''' ''(oder auch spezifisches Gewicht)'' ist eine Stoffeigenschaft, die für viele reine Stoffe genau bestimmt werden kann. Daher kann man die Dichte auch nutzen, um einen Stoff zu identifizieren. Damit man nicht immer selber die Dichte berechnen muss, gibt es die Werte von ganz vielen Stoffen in Datensammlungen, in denen du nachschlagen kannst.
<center>[[Datei:visible spectrum of hydrogen.jpg|800px]]</center>
In der Wikipedia findest du zu fast jedem Stoff, der dort aufgeführt ist, immer auch die Dichte, da es eine wichtige Stoffeigenschaft ist. Schul-Bücher enthalten meist eine Liste der Elemente mit Eigenschaften, in denen meist auch die Dichten angegeben sind. Einen Überblick liefern die Tabellen hier:
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fester_Stoffe Dichte fester Stoffe] - [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fl%C3%BCssiger_Stoffe Dichte flüssiger Stoffe] -  [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_gasf%C3%B6rmiger_Stoffe Dichte gasförmiger Stoffe]


Die Dichte eines Stoffes kann schon helfen, einen Stoff zu identifizieren, daher sollte man auch wissen, wie man die Dichte bei verschiedenen Stoffen bestimmen kann.


== Praktische Bestimmung von Dichten ==
Für die Position der Linien innerhalb der jeweiligen Serie konnten Johann Jakob Balmer und Johannes Rydberg anhand von gemessenen Linienspektren bereits 1885 und 1888 numerische Formeln angeben. Der physikalische Hintergrund dieser Formeln blieb jedoch fast dreißig Jahre lang ein Rätsel.
Für die Bestimmung der Dichte eines unbekannten Stoffes muss man eine Portion des reinen Stoffes haben und von dieser Portion das Volumen und sein Gewicht bestimmen. Je nachdem, in welchem Aggregatzustand der Stoff vorliegt, führt das zu unterschiedlichen Problemen bei der Bestimmung der beiden Werte.  


Zum einen, die Bestimmung des Volumens: Nicht immer sind Stoffe in praktischen Würfeln oder Quadern gegeben. Bei solchen Würfeln könnte man einfach die Kantenlänge messen und das Volumen daraus berechnen.
Mit Hilfe des Bohrschen Atommodells konnte man dann erklären, wie es zur Aussendung von Licht mit einem speziellen Frequenz und damit Energie kommt. Wechselt, wie in den Bilder unten dargestellt, ein einzelnes Elektron von auf eine niedrigere Kreisbahn, so es wird ein Photon mit einer Frequenz ausgesendet, die dem Energieunterschied zwischen den beiden Bahnen entspricht.
{{Box|ZUR ERINNERUNG: Volumen von Würfeln und Quader|2=
* Volumen eines Würfels mit der Seitenlänge a: <math>V = a^3</math>
* Volumen eines Quaders mit den Seitenlängen a, b, c: <math>V = a \cdot b \cdot c</math>|3=Hervorhebung1}}


Was aber bei unregelmäßigen Körpern machen, wie etwa einem Stein? Hier kann man das Volumen mit einem Lineal nur grob schätzen. Auch bei Flüssigkeiten ist die Volumen-Bestimmung mit Hilfe eines Quaders unpraktikabel, wobei man da ja Messzylinder hat, mit denen man das Volumen einer Flüssigkeitsportion bestimmen kann. Bei Gasen geht das dann aber auch wieder nicht, denn ein Gas muss rundherum eingeschlossen sein, weil es sich sonst verflüchtigt.
<center><gallery  widths=300 heights=300>
Datei:Bohr-atom-PAR.svg|
File:Bohr atom animation 2.gif|
</gallery></center>


Diese Überlegungen zeigen die "Probleme", die es nötig machen, für jeden Aggregatzustand ein spezielles Verfahren zu nutzen, mit denen man das Volumen und die Masse von einer Stoffportion bestimmen kann, um dann die Dichte zu berechnen.
Beim Wasserstoffatom ergeben sich dann folgende Energieübergänge, die bestimmten Folgen von Spektrallinien im elektromagnetischen Spektrum des Wasserstoffatoms führen. Eine Serie entspricht dabei den Übergängen von Elektronen höherer Niveaus auf das gleiche Grundniveau. Für verschiedene höhere Niveaus erhält man eine höhere Energiedifferenz und damit Photonen höherer Energie, also höherer Frequenz. Im rechten Bild sind die Übergänge im Atommodell dargestellt mit der Angabe der Wellenlängen.


* [[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Feststoffen|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Feststoffen]]
<center><gallery widths=400 heights=400>
* [[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Flüssigkeiten|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Flüssigkeiten]]
Datei:Wasserstoff-Termschema.svg|&nbsp;
* [[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Gasen|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Gasen]]
File:Hydrogen_transitions.svg|&nbsp;
</gallery></center>


== Aufgaben und Berechnungen mit der Dichte ==
Die Dichte ist nicht nur ein Wert, denn man bestimmt, um einen Stoff zu identifizieren. Auch bei bekannter Dichte, gibt es da zahlreiche Anwendungen, wo mit Hilfe der Dichte etwas berechnet werden kann. Hier ein paar schnelle Beispiele:
* Welches Volumen hat eine angegebene Masse z.B. von Öl? Das wäre interessant wenn man keine Waage hat, aber ein genaues Messgefäß für das Volumen.
* Umgekehrt kann man bei bekannter Dichte, von der Masse einer Stoffportion auf das Volumen schließen.
* Auch die Berechung der Dichte wäre interessant, wenn man zum Beispiel untersuchen will, ob der Gold-Ring wirklich komplett aus Gold ist oder nur vergoldet.


Auf der folgenden Unterseite geht es um solche Aufgaben und du erhältst alle Informationen, wie man die Formel für die Defintion der Dichte nutzen kann, um alles zu berechnen.
Damit können wir genauer definieren ...


'''→ [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte|Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte]]'''
{{Zitat_wpde|Eine '''Spektrallinie''' ist das Licht einer genau definierten Frequenz, das von einem Atom oder Molekül aufgrund des Übergangs ''eines Elektron zwischen zwei Schalen'' abgegeben oder absorbiert ''(aufgenommen)'' wird. Es dient der Unterscheidung unterschiedlicher Atomsorten. Die Frequenz ('''und damit die Farbe''') einer Spektrallinie wird durch die Energie des emittierten oder absorbierten Photons bestimmt, die gerade den Unterschied zwischen den Energien der Schalen bestimmt.|Spektrallinie|10.9.2013}}


== Bedeutung der Dichte für den Auftrieb ==
=== Wiederholung des Bohrschen Atommodells ===
<div class="grid">
{{Box|AUFGABE 1 - Schalenmodell|2=Suche die wichtigsten Informationen zum Schalenmodell (= Bohr'sches Atommodell) heraus und halte folgende Informationen fest:
<div class="width-3-4">
* Wieviele Elektronen passen auf welche Schale? Und warum ist die Anzahl verschieden?
Das Bild rechts zeigt verschiedene <u>flüssige</u> und <u>feste</u> Stoffe übereinander. Von oben nach unten sind es:
* Wie erfolgt die Verteilung der Elektronen auf die Schalen? Welche Rolle spielt da die Oktett-Regel?
* Welche Informationen zum Schalenmodell kann man aus dem Periodensystem ablesen?
* Wo spielt das Schalenmodell bei der Bildung von Ionen bzw. bei Atombindungen einen Rolle?
|3=Üben}}


* Benzin, rot angefärbter Reinigungsalkohol (''Isopropanol''), Speise-Öl, Wachs, blau gefärbtes Wasser, Aluminium
'''Bild mit farbigen Zellen nach Schalen'''


''Was hat das mit der Dichte zu tun?''
Ergänzend noch ein paar Informationen, denn das Bohrsche Atommodell hat eigentlich ein paar Schwächen.


Dazu müsste man sich die Dichte-Werte zusammensuchen und die Zahlen miteinander vergleichen.
Wichtig für das Funktionieren dieser Modell ist die Bewegung der Elektronen um den Kern. Würden die Elektronen sich nicht bewegen, würden die negativen Elektronen vom positiven Kern angezogen werden und das Atom in sich zusammenstürzen. Nur durch die Fliehkraft wird die Anziehung aufgehoben.
<center>
{| class="wikitable"
|-
! Stoff !! Dichte
|-
| Benzin || 0,748 g/cm³
|-
| Isopropanol || 0,78 g/cm³
|-
| Speise-Öl || 0,91 g/cm³
|-
| Wachs || 0,95 g/cm³
|-
| Wasser || 1 g/cm³
|-
| Aluminium || 2,6989 g/cm³


|}
Wenn sich die Elektronen um den Kern bewegen, findet aufgrund der Kreisbewegung immer eine beschleunigte Bewegung statt. Beschleunigte Ladungen strahlen aber elektromagnetische Wellen ab. Nach dem Energierhaltungssatz muss mit der Abstrahlung ein Energieverlust des Elektrons verbunden sein, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Die wiederum führt dazu, dass im Rutherfordschen Atommodell das Elektron nach sehr kurzer Zeit auf Spiralbahnen in den Atomkern stürzt.
</center>


Du wirst erkannt haben, dass die Dichte von oben nach unten immer mehr zunimmt.
Bohr beseitigte dieses Problem, indem er postulierte, dass sich die Elektronen im Rutherfordschen Modell nur auf bestimmten diskreten Bahnen bewegen können, die stationär genannt werden. Auf diesen stationären Bahnen strahlt das Elektron einfach keine Energie ab. Bohr setzte mit diesem Postulat die Grundlagen der klassischen Mechanik und Elektrodynamik außer Kraft und machte dies ganz bewusst, denn er konnte für sein Modell keine Begründung auf der Grundlage des klassischen Physik finden. Allerdings konnten man mit Hilfe des Modells die Lage der Spektrallinien erklären, weswegen sich das Bohr'sche Atommodell durchaus rechtfertigten lies.
</div>
<div class="width-1-4">
[[Datei:Density column.JPG]]
</div>
</div>


{{Box|BEACHTE|Flüssige Stoffe ordnen sich in einem Gefäß immer so an, dass '''der Stoff mit der geringsten Dichte am weitesten oben''' ist.
Im Grunde genommen lag Bohr damit richtig, denn letztendlich war es die endgültige Abkehr von der klassischen Physik, mit der Formulierung der Quantenmechanik durch Heisenberg, Schrödinger und anderen Physikern, mit der man dann schließlich alle Widersprüche erklären konnte. Damit werden wir uns aber erst später beschäftigen!


Feste Stoffe können in einer Flüssigkeit ...
== Informationen aus dem Himmel ==
* '''an der Oberfläche schwimmen''' ... wenn die Dichte vom Feststoff geringer als die Dichte der Flüssigkeit ist.
Als kleines Schmankerl schauen wir uns noch ein paar Bilder aus dem Weltall an, die freundlicherweise größtenteils von der NASA zur freien Verfügung gestellt werden. Als staatlich finanziertes Unternehmen muss seine Bilder nämlich öffentlich machen.
* '''in der Flüssigkeit schweben''' ... wenn die Dichte vom Feststoff gleich der Dichte der Flüssigkeit ist.
* '''auf den Boden sinken''' ... wenn die Dichte vom Feststoff größer als die Dichte der Flüssigkeit ist.


''Dies gilt natürlich nur, wenn die Stoffe sich nicht vermischen oder ineinander löslich sind.''
=== Bilder von Sternen und Galaxien ===
|Hervorhebung1}}


<div class="grid">
<div class="grid">
<div class="width-2-3">Und da sind wir eigentlich wieder bei unserer ursprünglichen Frage, nämlich '''warum Holz auf Wasser schwimmt'''. Denn die meisten Holzarten (''siehe {{wpde|Holz#Dichte_und_elastomechanische_Eigenschaften|Holz}}'')&nbrsp;haben eine Dichte, die geringer als die vom Wasser ist. Und genau deshalb schwimmt Holz im Wasser.
        <div class="width-1-2">
Wie schon erwähnt, werden für die Untersuchung von Sternen auch andere Strahlungsarten als Licht untersucht. Jede Strahlungsart kann verschiedene Informationen liefern. So sieht man im Bild rechts immer dieselbe Galaxie aber in verschiedenen Frequenzbereiche. Die Beschriftung links ist französisch, sollte aber einigermaßen verständlich sind. </div>
        <div class="width-1-2">[[File:Galaxie.png|right]]</div>
</div>


Gleiches gilt auch für die '''Fettaugen auf der Suppe'''. Vergleicht man nämlich Wasser und Öl, so hat Öl die geringere Dichte.
</div>
<div class="width-1-3">[[File:Suppenhuhn fcm.jpg]] ''Fettaugen und -flecken beim Kochen des Suppenhuhns''</div>
</div>


<div class="grid">
<div class="grid">
<div class="width-2-3">Oder warst du schon mal '''im Meer schwimmen'''? Im Vergleich zu Süßwasser hat das Meerwasser, in dem Salz gelöst ist, eine höhere Dichte und so fällt das Schwimmen im Meer besonders leicht.
        <div class="width-1-2">[[Datei:Zeta Orionis X-ray.jpg|left]]</div>
 
        <div class="width-1-2">Im Bild links sieht man ein Röntgenspektrum des Sterns Zeta Orionis. Das Spektrum des hellen Licht des Stern wurde links unten eingefügt und man kann einige Peaks (Spitzen) zu erkennen, die darauf Hinweise geben können, dass bestimmte Elemente vorkommen.</div>
 
Das '''tote Meer''' enthält sogar soviel Salz und damit eine viel höhere Dichte, dass man dort gar nicht untergehen kann. Man kann sich bequem ins Wasser setzen und dabei Zeitung lesen.</div>
<div class="width-1-3">[[File:Dead sea newspaper.jpg]] ''Zeitung lesen auf dem toten Meer''</div>
</div>
</div>
<div class="grid">
<div class="width-2-3">Die Dichte zeigt sich bei Feststoffen nicht nur aufgrund der Schwimm-Eigenschaften. Die Dichte wird auch deutlich, bei der Absinkgeschwindigkeit. So sinken Stoffe mit hoher Dichte schneller nach unten, als solche mit niedriger Dichte. 




Dies gilt übrigens nicht nur in Flüssgikeit sondern auch in der Luft. Habe Stoffe ungefähr die gleiche Form, so lassen sich Stoffe mit geringer Dichte leichter wegpusten und fallen weniger langsam runter.




Diese Eigenschaft wird auch bei dem sogenannte '''Windsichten''' verwendet, mit dem zum Beispiel früher die ''(schwereren)'' Weizenkörner von der ''(leichten)'' Spreu mit Hilfe von Wind getrennt wurde.</div>
<div class="width-1-3">[[File:Rice winnowing, Uttarakhand, India.jpg]] ''Windsichten von Reis in Indien''</div>
</div>


== Wissenwertes rund um die Dichte ==
Leider stehen bei dieser Spektroskopie keine Informationen dabei. Bei dem folgenden Bild aber wurde beschriftet, welcher Peak was bedeutet.
Nach den schon vorher angesprochenen Beispielen, wie sich die Dichte auswirkt, noch ein paar weitere alltägliche Effekte, wo wir die Dichte zu spüren bekommen.


=== Leicht- und Schwermetall ===
<center>[[Datei:Spectrum of blue flame.svg]]</center>
Den Begriff '''Schwermetalle''' wirst du vielleicht schon mal gehört haben. Meist wird er im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung genannt. Schwermetall-Verbindungen sind meist für den Menschen und Tiere ungesund. Man kann sie allerdings nicht so einfach sehen, die Schwermetall-Verbindungen sind Salzartige Stoffe, die im Wasser löslich sind.  


''Was das mit der Dichte zu tun hat?''
Die Spitzen entsprechen im Vis-Spektrum den farbigen Linien und links eines Teils des Infrarotspektrums. Auch die Höhen der PEaks spielen eine Rollen, denn je mehr da ist, um so höher ist der Peak. Das Spektrum zeigt übrigens nicht das Spektrum des Licht eines Sterns sonder von einem Gasbrenner mit Butan-Gas.


{{Box|BEGRIFFE Leichtmetall, Schwermetall|Die Begriffe {{wpde|Leichtmetall|Leichtmetall}} und {{wpde|Schwermetall|Schwermetall}} haben mit der Dichte zu tun. Metalle mit einer Dichte von unter <math>5 \frac{g}{cm ^3}</math> nennt man '''Leichtmetalle'''. Liegt die Dichte darüber sind es '''Schwermetalle'''.}}
=== Bewegungen im Weltall entdecken ===
[[Datei:Dopplerfrequenz.gif|thumb|Änderung der Wellenlänge bei Bewegung der Schallquelle]]
Immer noch ist das Universum dabei, sich weiter auszudehnen. Die Entfernungen zu den beobachteten Sternen ist aber so groß, dass man die Bewegungen an sich nicht wahrnehmen kann. Aber auch hier kann ein Spektrum helfen. Dabei geht es um den sogenannten Doppler-Effekt, den man zum Beispiel von der Veränderung des Tones eines Martinshornes kennt, wenn ein Rettungswagen an einem vorbeifährt.


Die Dichte hat zum dabei durchaus eine besondere Bedeutung. So hat zum Beispiel die recht hohe Dichte von {{wpde|Blei|Blei}} ''(11,342 g/cm³)'' durchaus praktische Anwendungen.  
Durch die Bewegung kommt es zu einer Stauchung bzw. Dehnung der Wellen des Signals, wenn sich das Signal auf einen zubewegt bzw. entfernt. Durch die veränderte Wellenlänge, hören sich die Töne anders an.


Es wird als Gewicht verwendet ('''Bleigürtel''' beim Tauchen, '''Bleiband''' bei Gardinen) und die schweren Bleischürzen schirmen aufgrund der hohen Dichte auch gut gegen radioaktive Strahlen ab, weswegen sie beim Röntgen eingesetzt werden. Es gibt zwar noch bessere, weil dichtere Metalle, aber die sind zu teuer.  
[[Datei:Spectral-lines-continuous.svg|thumb|Spektrum des sichtbaren Lichts]]
Gleiches passiert mit den Wellen des Lichts. Bewegt sich eine Lichtquelle vom Beobachter weg, so findet eine Rotverschiebung statt, da sich die Elektromagnetischen Wellen des Lichtes verlängern und somit die Farbe sich in Richtung des roten Lichts verschiebt. Bewegt sich umgekehrt eine Lichtquelle auf den Beobachter zu, so verkürzen sich die Wellenlängen und die Farbe verschiebt sich in Richtung des blauen Lichts.


Auch {{wpde|Gold|Gold}} hat eine recht hohe Dichte. Und gerade {{wpde|Quecksilber||Quecksilber}} überrascht mit seiner hohen Dichte für eine Flüssigkeit, wenn man das erste Mal eine Quecksilber-Flasche hochhebt.
<center><gallery widths=300 heights=300>
File:Redshift blueshift.svg|Bewegung einer Lichtquelle relativ zum Beobachter
File:Redshift.png|Vergleich der Spektrallinien für einen weit entfernten Supergalaxienhaufen (rechts) im Vergleich zur Sonne (links)
</gallery></center>


Dagegen nutzt man die Leichtmetalle wie {{wpde|Magnesium|Magnesium}} und {{wpde|Aluminium|Aluminium}} zum Beispiel beim Fahrzeugbau um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen.
=== Neuer Planet mit Atmosphäre entdeckt? ===
[[Datei:Comparison between the Sun and the ultracool dwarf star TRAPPIST-1.jpg|thumb|Vergleich der Größe der Sonne mit Trappist-1]]
Seit einigen Jahren gibt es eine solche Meldung immer wieder: mal wieder wurde ein neuer Extra Solarer Planet entdeckt (''oder kürzer: Exoplanet'').


=== Die Dichteanomalie des Wassers ===
Im Februar 2017 meldete die NASA, dass man "nur" 40 Lichtjahre entfernt im Sternensystem Trappist-1 sieben erdähnliche Planeten gefunden hat. Von denen liegen mindestens drei Stück in der sogenannten habitablen Zone, wo also für Menschen aufgrund der Temperaturen vermutlich akzeptable Bedingungen dürften. Wichtig ist, dass Wasser dort flüssig existiert, zu nah am Stern wäre es gasförmig, zu weit weg würde das Wasser gefrieren.
''Die Dichte von Wasser ist unnormal!?'' Das erscheint dir sicher irgendwie merkwürdig, denn Wasser ist ein so alltäglicher Stoff ... wäre einem da etwas Unnormales nicht schon aufgefallen?


Dabei können wir froh sein, dass die Dichte des Wassers, bzw. des festen Wassers also Eis, sich so anders verhält als andere Stoffen. Um besser zu verstehen, was beim Wasser so unnormal ist, solltest du dir diesen Film anschauen:


<center>{{#ev:youtube|OfzbHz1e12E}} </center>
<center>[[File:PIA21424 - The TRAPPIST-1 Habitable Zone.jpg]]</center>


Folgendes ist zu erkennen:
* Feste Wachsklumpen gehen in flüssigem Wachs unter → '''die Dichte von festem Wachs ist geringer als die Dichte von flüssigem Wachs'''
* Gefrorener Eiseissig (''= hochkonzentrieter Essig'') geht im flüssigen Eisessig ebenfalls unter → '''die Dichte von festem Eisessig ist geringer als die Dichte von flüssigem Eissessig'''
* Gefrorenes Wasser, also Eis, schwimmt im flüssigen Wasser → '''die Dichte von festem Wasser (= Eis) ist höher als die Dichte von flüssigem Wasser'''


Wachs und Eisessig sind hier die eigentlich '''normalen''' Stoffe. Denn bei allen anderen Stoffen, eben außer dem Wasser, ist es so, dass der feste Stoff in seinen flüssigen Aggregatzustand untergeht. Und das ist das Unnormale am Wasser.
Bei Trappist-1 a handelt es sich um einen sehr kleinen und leuchtschwachen roten Zwergstern. Er besitzt nur etwa ein Zwölftel der Masse und ein Neuntel des Durchmessers der Sonne. Da Rote Zwerge weitaus älter werden als sonnenähnliche Sterne, hätte Leben auf Planeten, wie die um Trappist-1, wesentlich mehr Zeit, sich zu entwickeln. Das Sternensystem von Trappist-1 und vergleichbare Systeme werden von Astronomen als vielversprechendste Kandidaten für mögliches außerirdisches Leben bezeichnet.


Wenn man hier mal den Begriff "Dichte" nutzt kann man also sagen.


{{Box|Dichte von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen|'''Im festen Aggregatzustand ist die Dichte normalerweise höher als in der Flüssigkeit.'''|Hervorhebung1}}
<center>[[File:TRAPPIST-1 navbox.jpg]]</center>


Wie lässt sich das erklären, dass diese Verhalten normal ist? Im Grunde genommen geht das ganz einfach: dazu müssen wir nur die kleinsten Teilchen von Stoffen betrachten. In dem folgenden Video siehst du eine Simulation eines beliebigen Stoffes und dessen Teilchen bei verschiedenen Temperaturen.


<center>{{#ev:youtube|f7mY9JESqTA}}</center>


Sortieren wir nun die Beobachtungen ein wenig, indem wir das Teilchenmodell des Stoffes mal in drei einzelnen Bildern betrachten, je eines für jeden Aggregatzustand.
==== Wie entdeckt man solche Planeten ====
Im Gegensatz zu Sternen, die selber leuchten, werden Planeten ja nur angestrahlt. Dieses Licht ist aber viel zu schwach, um es aus der Ferne wahrzunehmen.  Daher konnte man Exoplaneten bisher nur indirekt nachweisen. Dafür gibt es mehrere Methoden, bei denen man den Einfluss der Planeten auf den Stern nachweist.


<div class="grid">
<center><gallery widths=300 heights=300>
<div class="width-1-3">
Datei:Transitkurve animiert.gif|Der Durchlauf eines Planeten verursacht einen Helligkeitsabfall des beobachteten Sterns.
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell fest.png]]
Datei:Orbit3.gif|Bewegung eines Sterns und eines Planetes um einen gemeinsamen Schwerpunkt.
</gallery></center>


Bei sehr niedrigen Temperaturen ist der '''Stoff fest''' und die Bewegung der Teilchen ist sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander und eng gepackt.
Etwa 80% der bisher gefundenen Exoplaneten wurden mit der Transitmethode entdeckt. Der Planet wird dabei nicht direkt beobachtet, sondern nur indirekt durch Beobachtung des Helligkeitsverlaufs seines Sterns nachgewiesen. Vereinfacht gesagt: der Planet, der vor dem Stern vorbeifliegt, verdunkelt ihn ein wenig. Außerdem erhält man Daten über die Atmosphäre der Planeten, da sich das Sternlicht-Spektrum während des Sterndurchgangs des Planeten verändert. Dabei wird ein Teil der Strahlung von Molekülen der Atmosphäre absorbiert. So hat man bei den Planeten Trappist-1-b und Trappist-1-c eine wolkenfreie, wasserstoffbasierte Atmosphäre nachweisen können.


<small>Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=aqSoC_CrmvI hier].</small>
Zwei weitere Methoden, die einigermaßen leicht zu verstehen sind, beruhen auf der Tatsache, das Stern und Planet sich unter dem Einfluss der Gravitation um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen.  
</div>
<div class="width-1-3">
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell flüssig.png]]


Bei mittleren Temperaturen ist der '''Stoff flüssig''' und die Teilchen sind zwar auch noch nah beieinander, da sich aber die Teilchen mit dem Erhitzen des Stoffes schneller bewegen, können sie nicht mehr so eng zusammen bleiben, wie vorher beim festen Stoff. Der von den Teilchen eingenommene Platz ist daher größer.
Die leichte Kreisbewegung des Sternes lässt sich mit der, durch den Doppler-Effekt verursachten, Blau- und Rotverschiebung nachweisen. Genauso kann man beim Stern, von der Ferne betrachtet, eine leichtes Hin- und Herbewegung im Vergleich zu den umgebenden Sternen erkennen, was aber erst seit kurzem möglich ist, da alte Teleskope nicht genau genug waren.


<small>Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=b4cPktEtw8g hier].</small>
{{AufgabeNr|2|Halte für dich auf etwa einer halben DIN A4-Seite fest, was ein Spektrum ist und welche Bedeutung es für die Astronomen hat.}}
</div>
<div class="width-1-3">
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell gasförmig.png]]


Bei sehr hohen Temperaturen ist der '''Stoff gasförmig''' und die Teilchen sind noch schneller und daher wird ihr Abstand noch größer und die Teilchen sind weit im Raum verteilt.
==== Mehr Informationen zu Trappist-1 und Exoplaneten ====
* [https://www.nasa.gov/press-release/nasa-telescope-reveals-largest-batch-of-earth-size-habitable-zone-planets-around NASA-Seite zum Fund der Trappist-1 Planeten]
* [http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ NASA Exoplaneten-Archiv]
* [http://www.trappist.one/# Künstlerisch gestaltete Website zum System und seiner Entdeckung (auf englisch)]
* [https://exoplanets.nasa.gov/resources/2159/ Lust auf eine Reise zu Trappist-1e?]


<small>Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=KE8OEMlPcCA hier].</small>
</div>
</div>


Aufgrund der Definition der Dichte können wir nun erklären, warum die Dichte dann geringer ist:
:''Die Dichte ist ja Masse pro Volumen. Wenn die '''Masse gleich bleibt''' (''gleich viele Teilchen'') aber '''das Volumen zunimmt''' (''wegen dem Abstand zwischen den Teilchen'') dann wird die Dichte beim Erhitzen immer geringer.''


Warum das nun beim Wasser tatsächlich anders ist, lässt sich mit diesem einfachen Teilchenmodell nicht erklären. Tatsächlich ist es der Abstand der Wasser-Teilchen, der im gefrorenen Zustand größer ist als in der Flüssigkeit. 
Und da unterscheidet sich das Wasser von allen anderen Stoffen, weil Eis eine geringere Dichte als das flüssige Wasser hat. Man spricht deshalb von der '''''Dichteanomalie des Wassers'''''.


==== Warum ist die Dichteanomalie für uns wichtig? ====
<div class="grid">
<div class="width-1-2">Die Tatsache, dass gefrorenes Wasser, also Eis, nicht absinkt ist von wesentlicher Bedeutung für das Überleben auf der Erde. Denn nur so können im Winter die Wasserbewohner überleben. Denn ist das Wasser tief genug, so friert ein Gewässer nicht durch und unten bildet sich eine 4°C kalte Schicht, in der die Wasserbewohner überleben können.</div>
<div class="width-1-2">[[File:Anomalous expansion of water Summer Winter.svg]]</div>
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[[Kategorie:Dichte]]
[[Kategorie:Atommodell]][[Kategorie:Spektroskopie]] [[Kategorie:Kern-Hülle-Modell]][[Kategorie:Bohrsches Atommodell]][[Kategorie:Elektromagnetische Strahlung]][[Kategorie:Buchseite]][[Kategorie:Licht]][[Kategorie:ChemieUnfertig]]
[[Kategorie:Stoffeigenschaft]]
[[Kategorie:Metalle]]

Version vom 23. Oktober 2018, 16:05 Uhr

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:
Warp-Antrieb oder Wurmlöcher ... leider noch nicht!


Warum wissen wir eigentlich so viel von den Sternen? Es war doch noch nicht jemand außerhalb des Sonnensystems!


Was bei uns ankommt!

Ja, im Grund genommen wissen wir nur das, was bei uns ankommt ... und das ist das Licht der Sterne. Doch genau das kann helfen zu erfahren, welche Elemente dort in den Weiten zu finden sind.

Was uns als weißes Licht erscheint ist ja ein Gemisch aus sichtbaren elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlänge. Wie stark das Licht gebrochen wir hängt von dem Wellenlänge ab und so kann man mit Hilfe des Prisma die "Bestandteile" des weißen Licht erkennen.

Den Prismen-Effekt als Hilfsmittel für analytische Zwecke erfand der deutschen Optiker Joseph von FraunhoferWikipedia-logo.png, der 1814/15 dunkle Spektrallinien im Sonnenspektrum entdeckte. Er nannte diese Untersuchungsmethode des Lichts Spektroskopie.
Datei:Dispersive Prism Illustration.jpg
Lichtbrechnung am Prisma

Die hauptsächliche Leistung Fraunhofers bestand darin, dass er sehr akribisch und wissenschaftlich genau bei seinen Forschungen vorgegangen ist und so die schon vorhandenen sogenannten Achromatischen Objektive, die einen sonst typischen Farbfehler bei Linsen vermieden, perfektionierte. Er begründete damit Anfang des 19. Jahrhunderts den Fernrohrbau für die Wissenschaft.

1858 entwickelten die Deutschen Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen die Idee weiter zur Spektralanalyse. Die weiter fortschreitende Verbesserung der Geräte und Methoden, wie auch die Nutzung weiterer Frequenzbereiche außer dem sichtbaren Licht, mündete 1925 in die Bestimmung der Entfernung des Andromedanebels durch Edwin Hubble, nach dem heute ein Weltraumteleskop benannt ist.

  • Fraunhofer spectroscope.JPG

    Gemälde, das zeigt, wie Fraunhofer (Mitte) das Spektroskop demonstriert

  • PSM V15 D831 Spectroscope set up completed.jpg

    Skizze eine Spektroskops von 1879

  • NSRW Spectroscope1.png

    Die schematische Darstellung eines alten Spektroskops

Was steckt chemisch dahinter?

Das Bohrsche Atommodell wurde 1913 von Niels Bohr entwickelt. Atome bestehen bei diesem Modell aus einem schweren, positiv geladenen Atomkern und leichten, negativ geladenen Elektronen, die den Atomkern auf geschlossenen Bahnen umkreisen. Anders als ältere Atommodelle zeigt das Bohrsche Atommodell viele der am Wasserstoffatom beobachteten Eigenschaften.

Die Vorgeschichte zur Entwicklung des Bohrschen Atommodells ist die Entdeckung der Spektrallinien beim Wasserstoff-Atom in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Das folgende Bild den sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums sowie einen Teil aus dem ultravioletten Teil des Spektrums, da der Sensor der Kamera diesen Bereich auch emfangen kann.

Datei:Visible spectrum of hydrogen.jpg


Für die Position der Linien innerhalb der jeweiligen Serie konnten Johann Jakob Balmer und Johannes Rydberg anhand von gemessenen Linienspektren bereits 1885 und 1888 numerische Formeln angeben. Der physikalische Hintergrund dieser Formeln blieb jedoch fast dreißig Jahre lang ein Rätsel.

Mit Hilfe des Bohrschen Atommodells konnte man dann erklären, wie es zur Aussendung von Licht mit einem speziellen Frequenz und damit Energie kommt. Wechselt, wie in den Bilder unten dargestellt, ein einzelnes Elektron von auf eine niedrigere Kreisbahn, so es wird ein Photon mit einer Frequenz ausgesendet, die dem Energieunterschied zwischen den beiden Bahnen entspricht.

  • Bohr-atom-PAR.svg
  • Bohr atom animation 2.gif

Beim Wasserstoffatom ergeben sich dann folgende Energieübergänge, die bestimmten Folgen von Spektrallinien im elektromagnetischen Spektrum des Wasserstoffatoms führen. Eine Serie entspricht dabei den Übergängen von Elektronen höherer Niveaus auf das gleiche Grundniveau. Für verschiedene höhere Niveaus erhält man eine höhere Energiedifferenz und damit Photonen höherer Energie, also höherer Frequenz. Im rechten Bild sind die Übergänge im Atommodell dargestellt mit der Angabe der Wellenlängen.

  • Wasserstoff-Termschema.svg

     

  • Hydrogen transitions.svg

     


Damit können wir genauer definieren ...

Eine Spektrallinie ist das Licht einer genau definierten Frequenz, das von einem Atom oder Molekül aufgrund des Übergangs eines Elektron zwischen zwei Schalen abgegeben oder absorbiert (aufgenommen) wird. Es dient der Unterscheidung unterschiedlicher Atomsorten. Die Frequenz (und damit die Farbe) einer Spektrallinie wird durch die Energie des emittierten oder absorbierten Photons bestimmt, die gerade den Unterschied zwischen den Energien der Schalen bestimmt.

Wikipedia-logo.png Spektrallinie, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 10.9.2013 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.



Wiederholung des Bohrschen Atommodells

AUFGABE 1 - Schalenmodell

Suche die wichtigsten Informationen zum Schalenmodell (= Bohr'sches Atommodell) heraus und halte folgende Informationen fest:

  • Wieviele Elektronen passen auf welche Schale? Und warum ist die Anzahl verschieden?
  • Wie erfolgt die Verteilung der Elektronen auf die Schalen? Welche Rolle spielt da die Oktett-Regel?
  • Welche Informationen zum Schalenmodell kann man aus dem Periodensystem ablesen?
  • Wo spielt das Schalenmodell bei der Bildung von Ionen bzw. bei Atombindungen einen Rolle?

Bild mit farbigen Zellen nach Schalen

Ergänzend noch ein paar Informationen, denn das Bohrsche Atommodell hat eigentlich ein paar Schwächen.

Wichtig für das Funktionieren dieser Modell ist die Bewegung der Elektronen um den Kern. Würden die Elektronen sich nicht bewegen, würden die negativen Elektronen vom positiven Kern angezogen werden und das Atom in sich zusammenstürzen. Nur durch die Fliehkraft wird die Anziehung aufgehoben.

Wenn sich die Elektronen um den Kern bewegen, findet aufgrund der Kreisbewegung immer eine beschleunigte Bewegung statt. Beschleunigte Ladungen strahlen aber elektromagnetische Wellen ab. Nach dem Energierhaltungssatz muss mit der Abstrahlung ein Energieverlust des Elektrons verbunden sein, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Die wiederum führt dazu, dass im Rutherfordschen Atommodell das Elektron nach sehr kurzer Zeit auf Spiralbahnen in den Atomkern stürzt.

Bohr beseitigte dieses Problem, indem er postulierte, dass sich die Elektronen im Rutherfordschen Modell nur auf bestimmten diskreten Bahnen bewegen können, die stationär genannt werden. Auf diesen stationären Bahnen strahlt das Elektron einfach keine Energie ab. Bohr setzte mit diesem Postulat die Grundlagen der klassischen Mechanik und Elektrodynamik außer Kraft und machte dies ganz bewusst, denn er konnte für sein Modell keine Begründung auf der Grundlage des klassischen Physik finden. Allerdings konnten man mit Hilfe des Modells die Lage der Spektrallinien erklären, weswegen sich das Bohr'sche Atommodell durchaus rechtfertigten lies.

Im Grunde genommen lag Bohr damit richtig, denn letztendlich war es die endgültige Abkehr von der klassischen Physik, mit der Formulierung der Quantenmechanik durch Heisenberg, Schrödinger und anderen Physikern, mit der man dann schließlich alle Widersprüche erklären konnte. Damit werden wir uns aber erst später beschäftigen!

Informationen aus dem Himmel

Als kleines Schmankerl schauen wir uns noch ein paar Bilder aus dem Weltall an, die freundlicherweise größtenteils von der NASA zur freien Verfügung gestellt werden. Als staatlich finanziertes Unternehmen muss seine Bilder nämlich öffentlich machen.

Bilder von Sternen und Galaxien

Wie schon erwähnt, werden für die Untersuchung von Sternen auch andere Strahlungsarten als Licht untersucht. Jede Strahlungsart kann verschiedene Informationen liefern. So sieht man im Bild rechts immer dieselbe Galaxie aber in verschiedenen Frequenzbereiche. Die Beschriftung links ist französisch, sollte aber einigermaßen verständlich sind.
Datei:Galaxie.png


Datei:Zeta Orionis X-ray.jpg
Im Bild links sieht man ein Röntgenspektrum des Sterns Zeta Orionis. Das Spektrum des hellen Licht des Stern wurde links unten eingefügt und man kann einige Peaks (Spitzen) zu erkennen, die darauf Hinweise geben können, dass bestimmte Elemente vorkommen.



Leider stehen bei dieser Spektroskopie keine Informationen dabei. Bei dem folgenden Bild aber wurde beschriftet, welcher Peak was bedeutet.

Datei:Spectrum of blue flame.svg

Die Spitzen entsprechen im Vis-Spektrum den farbigen Linien und links eines Teils des Infrarotspektrums. Auch die Höhen der PEaks spielen eine Rollen, denn je mehr da ist, um so höher ist der Peak. Das Spektrum zeigt übrigens nicht das Spektrum des Licht eines Sterns sonder von einem Gasbrenner mit Butan-Gas.

Bewegungen im Weltall entdecken

Datei:Dopplerfrequenz.gif
Änderung der Wellenlänge bei Bewegung der Schallquelle

Immer noch ist das Universum dabei, sich weiter auszudehnen. Die Entfernungen zu den beobachteten Sternen ist aber so groß, dass man die Bewegungen an sich nicht wahrnehmen kann. Aber auch hier kann ein Spektrum helfen. Dabei geht es um den sogenannten Doppler-Effekt, den man zum Beispiel von der Veränderung des Tones eines Martinshornes kennt, wenn ein Rettungswagen an einem vorbeifährt.

Durch die Bewegung kommt es zu einer Stauchung bzw. Dehnung der Wellen des Signals, wenn sich das Signal auf einen zubewegt bzw. entfernt. Durch die veränderte Wellenlänge, hören sich die Töne anders an.

Datei:Spectral-lines-continuous.svg
Spektrum des sichtbaren Lichts

Gleiches passiert mit den Wellen des Lichts. Bewegt sich eine Lichtquelle vom Beobachter weg, so findet eine Rotverschiebung statt, da sich die Elektromagnetischen Wellen des Lichtes verlängern und somit die Farbe sich in Richtung des roten Lichts verschiebt. Bewegt sich umgekehrt eine Lichtquelle auf den Beobachter zu, so verkürzen sich die Wellenlängen und die Farbe verschiebt sich in Richtung des blauen Lichts.

  • Redshift blueshift.svg

    Bewegung einer Lichtquelle relativ zum Beobachter

  • Redshift.png

    Vergleich der Spektrallinien für einen weit entfernten Supergalaxienhaufen (rechts) im Vergleich zur Sonne (links)

Neuer Planet mit Atmosphäre entdeckt?

Datei:Comparison between the Sun and the ultracool dwarf star TRAPPIST-1.jpg
Vergleich der Größe der Sonne mit Trappist-1

Seit einigen Jahren gibt es eine solche Meldung immer wieder: mal wieder wurde ein neuer Extra Solarer Planet entdeckt (oder kürzer: Exoplanet).

Im Februar 2017 meldete die NASA, dass man "nur" 40 Lichtjahre entfernt im Sternensystem Trappist-1 sieben erdähnliche Planeten gefunden hat. Von denen liegen mindestens drei Stück in der sogenannten habitablen Zone, wo also für Menschen aufgrund der Temperaturen vermutlich akzeptable Bedingungen dürften. Wichtig ist, dass Wasser dort flüssig existiert, zu nah am Stern wäre es gasförmig, zu weit weg würde das Wasser gefrieren.


Datei:PIA21424 - The TRAPPIST-1 Habitable Zone.jpg


Bei Trappist-1 a handelt es sich um einen sehr kleinen und leuchtschwachen roten Zwergstern. Er besitzt nur etwa ein Zwölftel der Masse und ein Neuntel des Durchmessers der Sonne. Da Rote Zwerge weitaus älter werden als sonnenähnliche Sterne, hätte Leben auf Planeten, wie die um Trappist-1, wesentlich mehr Zeit, sich zu entwickeln. Das Sternensystem von Trappist-1 und vergleichbare Systeme werden von Astronomen als vielversprechendste Kandidaten für mögliches außerirdisches Leben bezeichnet.


Datei:TRAPPIST-1 navbox.jpg


Wie entdeckt man solche Planeten

Im Gegensatz zu Sternen, die selber leuchten, werden Planeten ja nur angestrahlt. Dieses Licht ist aber viel zu schwach, um es aus der Ferne wahrzunehmen. Daher konnte man Exoplaneten bisher nur indirekt nachweisen. Dafür gibt es mehrere Methoden, bei denen man den Einfluss der Planeten auf den Stern nachweist.

  • Transitkurve animiert.gif

    Der Durchlauf eines Planeten verursacht einen Helligkeitsabfall des beobachteten Sterns.

  • Orbit3.gif

    Bewegung eines Sterns und eines Planetes um einen gemeinsamen Schwerpunkt.

Etwa 80% der bisher gefundenen Exoplaneten wurden mit der Transitmethode entdeckt. Der Planet wird dabei nicht direkt beobachtet, sondern nur indirekt durch Beobachtung des Helligkeitsverlaufs seines Sterns nachgewiesen. Vereinfacht gesagt: der Planet, der vor dem Stern vorbeifliegt, verdunkelt ihn ein wenig. Außerdem erhält man Daten über die Atmosphäre der Planeten, da sich das Sternlicht-Spektrum während des Sterndurchgangs des Planeten verändert. Dabei wird ein Teil der Strahlung von Molekülen der Atmosphäre absorbiert. So hat man bei den Planeten Trappist-1-b und Trappist-1-c eine wolkenfreie, wasserstoffbasierte Atmosphäre nachweisen können.

Zwei weitere Methoden, die einigermaßen leicht zu verstehen sind, beruhen auf der Tatsache, das Stern und Planet sich unter dem Einfluss der Gravitation um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen.

Die leichte Kreisbewegung des Sternes lässt sich mit der, durch den Doppler-Effekt verursachten, Blau- und Rotverschiebung nachweisen. Genauso kann man beim Stern, von der Ferne betrachtet, eine leichtes Hin- und Herbewegung im Vergleich zu den umgebenden Sternen erkennen, was aber erst seit kurzem möglich ist, da alte Teleskope nicht genau genug waren.


Aufgabe 2
Halte für dich auf etwa einer halben DIN A4-Seite fest, was ein Spektrum ist und welche Bedeutung es für die Astronomen hat.

Mehr Informationen zu Trappist-1 und Exoplaneten

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