Heute

Das moderne Herschel-Experiment

Der grundsätzliche Experimentaufbau zur Entdeckung und für den Nachweis der Infrarotstrahlung im Sonnenspektrum ist auch in der heutigen Zeit der selbe, wie damals im Jahr 1800. Allerdings können wir heutzutage einerseits auf wesentlich genauere Instrumente und Versuchsmaterialien zurückgreifen, und wir können auch manche Teile des Experiments "modernisieren" und durch andere ersetzen.

Das Prisma

Bild 1: Prisma-Halterung auf Stativ

Bild 2: Prisma-Halterung aus Legosteinen

Wir verwenden ein einfaches dreiseitiges Prisma mit einer Länge von ungefähr 20 cm, das wir für den Versuch in eine Halterung einspannen und ins Sonnenlicht halten. Damit wir ein schärferes Spektrum erhalten, in dem die einzelnen Farben des Regenbogens klar voneinander unterscheidbar sind, kleben oder legen wir noch eine Abdeckung auf die Seite des Prismas, die der Sonne zugewendet ist, und erzeugen mit dieser Abdeckung einen Spalt. Nur durch diesen Spalt kann so das Sonnenlicht einfallen und wird im Prisma gebrochen.

Die Befestigung des Prismas kann auf verschiedene Arten erfolgen. Man könnte im Prinzip auch das Prisma mit einer ruhigen Hand halten, allerdings wackelt das Spektrum, in dem man später genaue Messungen durchführen will, dann schon merkbar. Besser ist es also, das Prisma in eine fixe Halterung einzuspannen, wie zum Beispiel eine Klemme oder ein Stativ (siehe ungefähr in Bild 1). Man kann sich aber auch kreativ austoben und zum Beispiel selbst eine Halterung bauen! Wir haben den Versuch auch schon mit einer Prisma-Halterung aus Legosteinen gemacht (siehe Bild 2). Wichtig ist nur, dass das Prisma so eingestellt werden kann, dass letztendlich der Regenbogen bzw. das erzeugte Spektrum auf eine glatte Oberfläche auf dem Boden oder einem Tisch fällt. 

Achtung! Wenn man lange experimentiert, dann ändert sich natürlich auch der Stand der Sonne - das Prisma sollte natürlich immer im Sonnenlicht sein und sich mit dem Sonnenlauf mitbewegen können, falls es einmal in den Schatten rutscht.

Das Spektrum

Bild 3: Das Spektrum

Das durch das Prisma erzeugte Spektrum sollte auf eine glatte, gleichmäßige Oberfläche geworfen werden, damit die Messbedingungen für die folgende Temperaturmessung möglichst kontrollierbar sind. Weiters sollte das Spektrum in einem abgeschatteten Bereich sichtbar sein, damit keine zusätzliche Sonnenstrahlung die Messungen verfälscht. Wir verwenden eine offene Kartonbox, die wir so auf den Boden stellen, dass das Innere der Box im Schatten liegt, und in die wir das Spektrum projizieren (Bild 3).

Tipp: Ein schwarzes Blatt Papier erwärmt sich stärker wenn man mit einer Wärmebildkamera seine Temperatur vermessen will.

Die Temperaturmessung

Bild 4: Grob skalierte Thermometer bei niedriger Umgebungstemperatur

Bild 5: Fein skalierte Thermometer bei höherer Umgebungstemperatur

Bild 6: Messung mit der Wärmebildkamera

Bild 7: Auswertung mit der Wärmebildkamera

Wenn das Prisma platziert und das Spektrum erzeugt ist, geht es darum die Temperaturen der verschiedenen Spektralfarben und der Infrarotstrahlung zu messen. Dazu können wie im Originalexperiment Thermometer verwendet werden, wenn diese eine ausreichend feine Skala haben. Es ist von Vorteil, Thermometer mit schwarzen Spitzen zu verwenden, welche die einfallende Strahlung effizienter absorbieren bzw. aufnehmen. Wir haben das Experiment mit zwei verschiedenen Thermometer-Arten und bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen gemacht. Bild 4 zeigt die Messung mit grob-skalierten Thermometern bei niedriger Umgebungstemperatur (um 5°C). Der Fokus liegt hier auf der Messung der Infrarotstrahlung. In Bild 5 zeigen wir die Messung mit feiner skalierten Thermometern bei etwas höherer Umgebungstemperatur (um 16°C).

 

Mit der Entwicklung von moderner Technologie ist es heutzutage möglich Infrarotstrahlung, also Wärmestrahlung, auch direkt sichtbar zu machen. Das passiert mit einer Infrarotkamera, oder auch Wärmebildkamera genannt. Die Wärmebildkamera zeigt auf einem Display Temperaturen als Farben an, um Temperaturunterschiede optisch sichtbar zu machen. Weiters speichert sie in jedem Pixel des Bildes die gemessene Temperatur an diesem Pixel auf und man kann aus gespeicherten Bildern an jeder beliebigen Stelle Temperaturen ausmessen. Wir verwenden eine handelsübliche Wärmebildkamera um das Spektrum zu untersuchen (Bild 6). Bild 7 zeigt die Auswertung des aufgenommenen Wärmebilds, bei dem in jedem Punkt des Spektrums ein Messpunkt gesetzt und die Temperatur ausgelesen wurde. Im Hintergrund ist das optische Bild des Spektrums zu sehen. Die maximale Temperatur, der weiße und rote Bereich im Wärmebild, befindet sich eindeutig links neben dem roten Spektralbereich.

 

Achtung! Die Temperaturunterschiede in den verschiedenen Spektralfarben und der Infrarotstrahlung sind sehr klein, das heißt nur Bruchteile von einem Grad Celsius.

 

Hinweis: Es ist leichter das Experiment bei nicht zu hohen Umgebungstemperaturen durchzuführen, also zum Beispiel im Winter oder Herbst/Frühling im Freien. Dadurch ist der Temperaturunterschied zwischen Spektrum und Umgebungstemperatur leichter messbar.

 

 

 

 

 

 

 

 

Hier geht es zu weiteren Versuchen zum Thema Infrarotstrahlung