Frage von betty187, 30

Was soll ich tun(Schule,Physik)?

Referatsthema: Der Himmel als Labor

Fassen Sie die wissenschaftlichen Überlegungen und Erkenntnisse durch astronomische Forschung zusammen. Gehen Sie dabei insbesondere auf das Gravitationsgesetz und die Spektralanalyse ein.

Ich weiß nicht was ich tun soll und meine Partnerin auch nicht und der Lehrer ist in dem Zeitraum, in dem wir das Referat fertigstellen müssen nicht da. Bitte helft mir/uns. Ich bitte um eine baldige Antwort. Danke schon mal im Voraus.

Expertenantwort
von uteausmuenchen, Community-Experte für Astronomie, 12

Hallo betty187,

keine Panik, ok?

So ganz, ganz grob würde ich sagen, dass Ihr eine Geschichte der astronomischen und kosmologischen Entdeckungen vorlegen sollt - also in etwa nachzeichnen, wie man allmählich immer mehr über das Universum herausgefunden hat.

Dabei spielen Gravitationsgesetz und Spektralan@lyse eine ganz wichtige Rolle:

Auf großen Maßstäben ist die Gravitation die einzige treibende Kraft im Universum. Die Physik kennt insgesamt 4 verschiedene Wechselwirkungsarten. Die Schwache und Starke Kraft wirken beide nur auf extrem kurze Reichweiten und spielen nur im atomaren Bereich eine Rolle. Die elektromagnetische Kraft greift nur an geladenen Körpern - doch Himmelskörper sind neutral. Die Gravitation - obwohl sie die schwächste der 4 Wechselwirkungen ist - ist also "der König im Universum". Sie bestimmt die Bildung von Galaxien und Sternen, ihre Bewegungen umeinander. Wer die Gravitation mathematisch beschreiben kann, hat also überhaupt erst einmal eine Chance, das Universum zu verstehen.

Die Spektralan@lyse ist dabei das wichtigste Werkzeug des Astrophysikers: Wir können nicht zu den Sternen: Brauchen wir auch nicht - ihr Licht kommt zu uns. In diesem Licht kann man unglaublich viel über die Sterne erkennen, die es ausgestrahlt haben. Wir sehen, wie heiß die Sterne sind, welche chemischen Elemente in ihren Außenbereichen vorhanden sind, können mitunter auf die Masse und ihr Alter schießen. Wir entdecken, ob sich die Sterne von uns weg bewegen und neuerdings auch, ob Planeten um die Stern kreisen. Aus dem Licht der Sterne  - nicht nur dem sichtbaren Licht, sondern alle Spektralbereiche: Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, UV, sichtbares Licht, IR, Radiowellen... haben wir Daten gewonnen, die es uns ermöglicht haben, die Physik der Sterne selbst zu verstehen.

Schaut mal hier

https://www.raumfahrer.net/astronomie/beobachtung/spektral.shtml

und auch auf den dort angegebenen weiterführenden Link

http://www.astronomie.de/astronomische-fachgebiete/spektroskopie/

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Welche Überlegungen und Erkenntnisse würde ich in einer solchen Auflistung nennen?

- Aufbruch im 17. Jahrhundert mit der Erfindung des Teleskops

Galilei beobachtet um das Jahr 1600 als erster die Jupitermonde und deutet sie richtig als Objekte, die nicht um die Erde kreisen. Er hält danach das heliozentrische Weltbild für zutreffend. Er hat aber, weil die Gravitation unbekannt ist, Schwierigkeiten, überzeugende Argumente dafür zu benennen.  Der Grund: im heliozentrischen Weltbild von Kopernikus bewegen sich die Planeten auf Kreisbahnen um die Sonne. Diese Kreisbahnen beschreiben die tatsächlichen Bewegungen der Planeten am Himmel aber nicht gut. Das Weltbild des Kopernikus findet deshalb wenig Anhänger.

1618: Johannes Kepler berechnet aus den genauesten Beobachtungsdaten seiner Zeit die berühmten 3 Keplergesetze - also rein empirisch (=aus den Beobachtungsdaten) , ohne die Physik dahinter zu kennen. Er beschreibt die Planetenbahnen als Ellipsen, wobei die Sonne in einem der beiden Brennpunkte sitzt.

Um 1680: Newton formulier seine Kraftgesetze, die "Newtonsche Mechanik". Dabei geht er den revolutionären Schritt, zu vermuten, dass die Objekte am Himmel denselben physikalischen Gesetzen folgen, wie die Objekte hier auf der Erde. Er überträgt deshalb sein Kraftgesetz auf die Planeten und kann unter der Annahme, dass die Sonne eine radialsymmetrische Kraft auf die Planeten ausübt, deren Stärke mit dem Quadrat des Abstandes von der Sonne abnimmt, die drei Keplerschen Gesetze herleiten. Newton ist also der erste Mensch, der versteht, warum sich die Planeten auf Ellipsen um die Sonne bewegen. Er nennt die von ihm angenommene Kraft "Schwerkraft"oder "Gravitation".

Ein Freund Newtons, Edmond Halley, Direktor der Sternwarte in Greenwich, benutzt Newtons Gravitationsformel, um als erster die Wiederkehr eines Kometen hervorzusagen; er nimmt dazu an, dass auch Kometen kleine Himmelskörper sind, die sich der Schwerkraft folgend um die Sonne bewegen. Er an@lysiert Beobachtungsdaten verschiedenster Kometen und bemerkt Ähnlichkeiten, die sich alle 76 Jahre wiederholen. Er schließt daraus, dass diese ähnlichen Daten zum selben Objekt gehören. Seine Berechnungen sagen seine Rückkehr für das Jahr 1759 voraus.

Das Zutreffen dieser Berechnung 1759, das Halley nicht mehr erlebte, gilt historisch als der Zeitpunkt, an dem sich das heliotzentrische Weltbild endgültig durchsetzte. Ab diesem Zeitpunkt war auch klar, dass die Gesetze der Physik auch den Himmel und die Sterne beschreiben.

(Um das noch mal ganz deutlich zu sagen: Galilei, Kepler, Newton und Halley entwickeln das, was wir bis heute immer noch als die Methodik der Naturwissenschaft bezeichnen: 1) (Galilei) Überlegungen über die Natur ergeben sich aus Beobachtungen; um geeignete Beobachtungen zu machen: führe Experimente aus, die aussagekräftige Beobachtungssituationen erzeugen 2) (Kepler) Wenn Deine Vorstellungen diese Beobachtungsdaten nicht richtig beschreiben: Verwirf die Idee. Nur, was die Natur gut beschreibt, kann richtig sein. 3) (Newton) Überlege, welche Kräfte wirken können; erstelle ein mathematisches Modell, das diese Kräfte und ihre Wirkungen exakt beschreibt 4) Halley: Benutze das Modell, um exakte Vorhersagen des Modells zu errechnen; benutze diese als aussagekräftige Tests für das Modell)

- Erweiterung der Beobachtungsmöglichkeiten durch die genaue Untersuchung des Lichtes

Noch Newton selbst hat gemerkt, dass das sichtbare Licht alle möglichen Spektralfarben enthält. Er machte das sichtbar, indem er ein Prisma ins Sonnenlicht hielt.

Joseph Fraunhofer entdeckte 1814, dass sich schmale schwarze Linien in diesem kontinuierlichem Spektrum finden. Damals war die Natur dieser Linien aber noch absolut unklar.

An dieser Stelle musste die Astronomie auf Erkenntnisse in der Atomphysik warten...

- Atomphysikalische Erkenntnisse

1910 führte Rutherford das berühmte Goldfolienexperiment durch und erkannte, dass Atome zum größten Teil leer sind; an die Stelle der Vorstellung, Atome seien unteilbare Kügelchen, tritt die Erkenntnis eines winzigen positiv geladenen Atomkerns und einer (negativ geladenen) Atomhülle

Ab dem Bohrschen Atommodell (1913) konnten die Fraunhoferlinien verstanden werden als die Übergänge der Energieniveaus in der Elektronenhülle: Ein Atom kann nur ganz diskrete (scharf begrenzte) Energiepakete aufnehmen, weil das Elektron in der Atomhülle nur ganz bestimmte Energieniveuas einnehmen kann. Das Atom absorbiert (verschluckt) daher nur Licht der Wellenlängen, deren Energie exakt zu den möglichen Übergängen im Atom passt. Dasselbe gilt bei der Emission (Aussenden von Licht).

Im Kontinuierlichen Spektrum fehlen die Linien, die den Übergängen der Elektronenhüllen der Atome in den äußeren Schichten der Sterne entsprechen. Die Linien sind also eine Art Fingerabdruck der chemischen Elemente in den Sternatmosphären. (Habe ich auch versucht, hier zu erklären: http://www.gutefrage.net/frage/kann-mir-jemand-die-fraunhoferschen-linien-erklae...)

Das Kontinuum über alle Wellenlängen sagt dagegen etwas über die Temperatur des Sternes aus. Das erkannte Max Planck, als es ihm gelang, die Verteilung des Lichts von Sternen über alle Wellennängen und alle Spektralbereiche zu berechnen. Er beschrieb dazu den Stern als "Schwarzen Strahler" - das bedeutet, dass das Strahlungsverhalten (Kontinuum) eines Sternes (wie bei einem dunklen Loch in einem Kasten bestimmter Temperatur) fast ausschließlich durch Emission bestimmt wird - und Absorption von Licht fast keine Rolle spielt. Das trifft ja auf Sterne zu: Sie Strahlen Licht ab, verschlucken aber keines.

(Siehe zum Spektrum auch meine alte Antwort hier: https://www.gutefrage.net/frage/absorptionsspektrum-der-sonne?foundIn=login)

Zur Entwicklung der Formel musste Planck annehmen, dass Energie "gequantelt ist": Das heißt, Energie kann nicht in beliebig kleiner Menge übertragen werden; es gibt eine kleinste übertragbare Energiemenge, die durch das "Planck'sche Wirkungsquantum" beschrieben wird.

Planck gilt damit als einer der Väter der Quantenphysik. Schrödinger, Heisenberg und weitere prägen sie in den nächsten 2 Jahrzehnten.

Die Entwicklung der Quantenphysik, das Verständnis der Atomspektren und damit der Sternspektrum (Kontinuum als Schwarzer Strahler, überlagert mit einem Fraunhofer- Absorptionsspektrum). Damit war die Tür aufgestoßen, die Spektren der Sterne zu untersuchen und zu versuchen, die Physik der Sterne zu verstehen.

3) Einsteins Allgemeine Relativität und die Entdeckung des Urknalls

1915 legt Einstein seine Allgemeine Relativitästheorie vor. Dabei handelt es sich um ein fundamental neues Verständnis der Gravitation. Was Newton als Kraft beschreibt, ist bei Einstein eine Folge der Materie und ihrer Auswirkungen auf den sie umgebenden Raum. Massen verändern durch ihre Energiedichte die sie umgebende Raumzeit - man spricht oft von "krümmen den Raum", was zwar etwas ungenau, aber anschaulich ist.

Das ist deshalb so grundlegend, weil die folgenden Erkenntnisse über die Ausdehnung des Universums (bzw. der Raumzeit darin) nur über diese neue Formulierung der Gravitation möglich sind.

Wie es zur Entwicklung des Urknallmodells gekommen ist, habe ich hier beschrieben:

https://www.gutefrage.net/frage/warum-sind-umfassende-theorie-zur-entstehung-des...

Eine entscheidende Rolle spielt dabei auch wieder die Spektralan@lyse: Die Entdeckung der Rotverschiebung in den Spektren entfernter Galaxien: Die Fraunhoferlinien erscheinen in den Spektren entfernter Galaxien nicht an der Stelle, an der wir sie im Labor hier finden, sondern im selben Muster, aber in Richtung langer Wellenlinien verschoben. Ohne Spektralan@lyse hätte Hubble nicht entdecken können, dass sich alle Galaxien (außer Andromeda) von uns entfernen.

So, jetzt schau mal, ob sich aus diesen Antworten und den Links darin was machen lässt für Euer Referat.

Grüße

Antwort
von SeriousMatter, 12

Guten Abend erstmal :)

Für das Thema "Spektralanalyse" würde ich dir direkt dieses Video hier empfehlen: (Die Geburt des Universums [Teil 1])

Hierbei werden eigentlich sehr gut die Zusammenhänge zwischen dem ursprünglichen Wunsch der Menschen Gold zu erstellen und dessen Unmöglichkeit dargestellt. Ab Minute 5:30 wird dann auf das Thema Spektralanalyse eingegangen. Mit einfachem Vokabular und dennoch einer thematischen Tiefe die es einem einfach macht hieraus Informationen für ein Referat zu ziehen.

Das Thema Gravitation wird in diesem Zusammenhang auch in den weiteren Folgen der Reihe bearbeitet. Dennoch finde ich beide Themen viel zu umfangreich um sie im Rahmen eines einzigen Referates zu bearbeiten. Deswegen muss ich kurz zurückfragen :)

Gibt es einen Zeitrahmen und/oder Rahmen für Handouts und Inhalt?

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