10. – 13. Schuljahr

Michael Barth

Stativstange als Spaltersatz zur Darstellung der Na-D-Absorptionslinie

Versuch Sek. I Schüler/Lehrer
Zeit: Aufbau (inkl. Aufheizen): ca. 40 min; Beobachtung: ca. 5 min
Material
Halogenlampe mit Kondensorlinse
Heizofen mit Natriumröhre und Thermometer
Stativstange (möglichst wenig zerkratzt; [1])
Beugungsgitter im Klassensatz (z.B. günstige Gitterfolien von Astromedia)
Aufbau
Das Licht der Halogenlampe wird in die Na-Röhre fokussiert und eine Stativstange so aufgestellt, dass der Reflex des durchgegangenen Lichtes seitlich in demjenigen Bereich neben dem Ofen, der nicht durch dessen Glasscheiben erhellt wird, gut zu sehen ist (s. Abb. 1 ). Die Röhre wird auf die vorgeschriebene Temperatur aufgeheizt (hier: 240 ± 10 °C) und diese Temperatur konstant gehalten.
Durchführung
Der Reflex wird durch ein Beugungsgitter mit hoher Gitterkonstante in größerem Abstand beobachtet; dabei muss der Beobachter sein Auge entspannen („auf Unendlich einstellen). Da der Reflex aus mehreren Richtungen zu beobachten ist, können viele Schülerinnen und Schüler gleichzeitig beobachten. In Blickrichtung hinter dem Reflex stellt man eine dunkle einheitlich gefärbte Fläche auf. Der Raum sollte möglichst dunkel sein; Lampe und Ofen liefern mehr als genug Streulicht.
Beobachtung
Man sieht im gelben Teil des Spektrums (s. Abb. 2 ) eine feine Linie, die berühmte Na-D-Absorptionslinie (s. Abb. 3), von Fraunhofer 1814 beschrieben [2].
Erklärung
Die Stativstange reflektiert in einem nur wenig ausgedehnten räumlichen Bereich und stellt so (wie ein Spalt) in großer Entfernung eine hinreichend kohärente Lichtquelle dar. Damit ergibt sich eine passable subjektive Wahrnehmung der feinen Absorptionslinie.
Die Erklärung der Absorptionslinie basiert auf Resonanzfluoreszenz: Aus dem kontinuierlichen Spektrum der Lampe werden die Photonen der Na-D-Linie selektiv absorbiert, deren Quantenenergie mit einer Energieniveaudifferenz im Na-Atom übereinstimmt. Diese Photonen werden praktisch sofort wieder diffus in alle Richtungen emittiert, dies führt zu einem seitlichen schwachen Leuchten in Gelb, der Farbe der D-Linie. Im durchgehenden Licht finden sich so nur noch sehr wenige dieser Photonen, ein Großteil des gelben Lichtes fehlt im beobachteten kontinuierlichen Spektrum, eine schwarze Linie ist zu sehen. Wegen der energetischen Aufspaltung des Na-Niveaus liegt eine Doppellinie vor, deren Wellenlängen sich nur wenig unterscheiden.
Die Doppellinie (s. Abb. 3) wird mit der Stativstange nicht aufgelöst. Dies gelang nur mit dem Standardstrahlengang und auch nur nach umfangreicher Justierarbeit (s.u.).
Hinweise
Der Aufbau ist ohne besondere Justierung funktionsfähig, anders als der sonst dafür typische Standardstrahlengang. Der klassische Strahlengang mit Kollimator, Abbildungslinse und Geradsichtprisma garantiert allerdings eine hohe Bildhelligkeit für die objektive Abbildung auf einem Transparentschirm. Mit dem Standardstrahlengang gelingen auch mit einiger Mühe Fotos der Absorptionslinie: Dazu wurde der Schirm entfernt und das reelle Bild mit einer Okularlinse 5 cm beobachtet, die Kamera fotografierte durch diese Linse hindurch (s. Abb. 3 ) . Das alles gelang bei der Stativstange nicht.
Anmerkungen
[1]Die Idee für die Verwendung der Stativstange wurde mir vor längerer Zeit auf einem Spaziergang von einem Kollegen mitgeteilt, dessen Namen ich leider vergessen habe. Er mag sich gern melden.
[2]Barth, M.: Verwenden ohne Verstehen, aber mit Verständnis. In: NiU Physik 24 (2013), H. 138, S. 42 und 45.

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