Spektroskop basteln: Polarlicht-Farben erforschen

Ein Spektroskop ist ein Gerät, das Licht in seine einzelnen Farben zerlegt. Das Band aus Farben, das dabei entsteht, heißt Spektrum. Forscher benutzen Spektroskope, um herauszufinden, welcher Stoff leuchtet. So wissen sie, welche Gase in Polarlichtern leuchten. Mit dieser Anleitung baust du ein einfaches Spektroskop aus einem Schuhkarton und einer CD und untersuchst damit die Lampen bei dir zu Hause.

Wie baut man ein Spektroskop?

1. Die CD im Licht drehen

Bevor du baust, halte die CD mit der silbernen Seite unter eine Lampe und dreh sie langsam hin und her. Auf der CD leuchten Regenbogenfarben auf. Wenn du das Licht ausschaltest, verschwinden sie wieder. Die CD leuchtet also nicht selbst. Sie zerlegt das Licht der Lampe in seine Farben. Diese Eigenschaft nutzt du für dein Spektroskop.

2. Zwei Löcher in den Karton schneiden

Stell den Karton so vor dich, dass eine lange Seite zu dir zeigt. Das ist die Vorderseite. Zeichne darauf ganz links außen ein Rechteck, etwa 3 Zentimeter hoch und 2 Zentimeter breit. Das wird das Fenster für den Spalt. Zeichne rechts davon, etwa in der Mitte der Vorderseite, einen Kreis in der Größe einer Münze. Das wird das Guckloch. Wer dir hilft, schneidet beides mit dem Teppichmesser aus. Diese Anordnung passt, wenn du mit dem linken Auge hineinschaust. Schaust du lieber mit dem rechten Auge, kommt das Fenster für den Spalt ganz nach rechts und das Guckloch links davon. Sonst verdeckt dein Kopf den Spalt.

3. Die CD zerschneiden

Wer dir hilft, setzt die Schutzbrille auf und schneidet die CD mit der kräftigen Schere quer durch, knapp unterhalb des Lochs in der Mitte. Das größere Stück hat jetzt eine gerade Kante und kann darauf stehen. Fass die CD nur am Rand an, damit keine Fingerabdrücke auf die silberne Seite kommen.

4. Die CD in den Karton stellen

Stell das große CD-Stück mit der geraden Kante nach unten in die hintere linke Ecke des Kartons. Halte es mit etwas Knete fest. Die silberne Seite zeigt nach vorn. Dreh die CD ein wenig, sodass sie schräg zum Guckloch zeigt. Die genaue Richtung stellst du in Schritt 7 ein.

5. Den Spalt bauen

Reiße die Alufolie in zwei Stücke und falte jedes Stück einmal, sodass es eine glatte, gerade Kante bekommt. Klebe das erste Stück so vor das Fenster, dass die gerade Kante senkrecht in der Mitte steht. Lege die Plastikkarte mit der schmalen Seite an diese Kante. Schiebe das zweite Stück Folie von der anderen Seite heran, bis seine gerade Kante an der Plastikkarte anliegt. Klebe es fest und zieh die Karte heraus. Zurück bleibt ein senkrechter Spalt, der so schmal ist, wie die Karte dick war. Der Spalt sollte nicht breiter als einen Millimeter sein.

6. Das Butterbrotpapier davorkleben

Klebe ein Stück Butterbrotpapier von außen über den Spalt. Das Papier verteilt das Licht gleichmäßig über den ganzen Spalt. Dadurch werden die Farben deutlich schöner.

7. Die CD ausrichten

Lass den Deckel noch offen und stell eine helle Lampe direkt vor den Spalt. Schau durch das Guckloch auf die CD. Siehst du kein Farbband, dreh die CD in der Knete ein wenig, bis das Band erscheint. Es sollte von Rot bis Violett reichen. Wenn du mehrere Farbbänder siehst, nimm das hellste. Mach dann den Deckel zu und klebe Ritzen mit dem schwarzen Klebeband ab, damit von der Seite kein Licht in den Karton fällt.

8. Lampen untersuchen

Stell dich mit dem Rücken zu einer Lampe und halte den Karton vor dein Gesicht. Der Spalt zeigt dabei zur Lampe hin, und du schaust durch das Guckloch. Untersuche nacheinander verschiedene Lampen und vergleiche, was du siehst. – Bei einer Glühlampe siehst du ein durchgehendes Farbband von Rot über Gelb und Grün bis Violett. – Für Tageslicht richtest du den Spalt auf eine helle weiße Wolke oder auf ein weißes Blatt Papier, auf das die Sonne scheint. Auch hier siehst du ein durchgehendes Farbband. – Bei einer Leuchtstoffröhre oder einer Energiesparlampe erscheinen über einem schwachen Farbband einzelne helle, farbige Linien. Solche Lampen findest du oft in Kellern, Garagen oder in der Schule. – Wenn es bei dir noch eine Straßenlaterne gibt, die gelb leuchtet, siehst du dort wieder andere Linien. – Untersuche auch eine weiße LED-Lampe und vergleiche ihr Farbband mit dem der Glühlampe.

Warum zerlegt eine CD das Licht in Farben?

Eine CD zerlegt das Licht in Farben, weil sie ganz feine Rillen hat, die das Licht für jede Farbe in eine andere Richtung zurückwerfen. Auf einer CD liegen die Spuren, in denen Musik oder Daten gespeichert sind, eng nebeneinander. Von einer Spur zur nächsten sind es nur 1,6 Tausendstel Millimeter. Das ist so eng, dass du die Rillen selbst unter einem Mikroskop aus der Schule nicht erkennen kannst.

Licht breitet sich als Welle aus, ähnlich wie eine Welle auf dem Wasser. Der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten heißt Wellenlänge. Jede Farbe hat ihre eigene Wellenlänge. Sie wird in Nanometern gemessen. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa 620 bis 700 Nanometern, violettes Licht von etwa 400 bis 450 Nanometern. Das Licht einer Lampe besteht meistens aus einer Mischung vieler Farben.

Trifft das Licht auf die CD, werfen alle Rillen einen Teil davon zurück. Die zurückgeworfenen Wellen treffen aufeinander. Wo ein Wellenberg auf einen Wellenberg trifft, verstärken sie sich. Wo ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, löschen sie sich aus. Diese Überlagerung von Wellen nennt man Interferenz. Für jede Wellenlänge gibt es eine bestimmte Richtung, in der sich die Wellen verstärken. Rot wird deshalb in eine etwas andere Richtung geworfen als Grün oder Violett, und die Farben liegen nebeneinander. Eine Fläche mit so vielen feinen, gleichmäßigen Rillen nennt man ein optisches Gitter.

Der schmale Spalt sorgt dafür, dass nur ein dünner Streifen Licht auf die CD fällt. Ein breiter Lichtstrahl würde viele Farbbänder erzeugen, die sich gegenseitig überdecken. Erst durch den Spalt liegen die Farben ordentlich nebeneinander. Der Karton hält das übrige Licht ab, damit die Farben gut zu sehen sind.

Warum sehen manche Lampen im Spektroskop anders aus?

Manche Lampen sehen im Spektroskop anders aus, weil in ihnen ein heißer Draht glüht und in anderen ein Gas leuchtet. In einer Glühlampe glüht ein dünner Draht. Ein glühender fester Stoff sendet Licht in allen Farben aus, deshalb siehst du ein durchgehendes Farbband. Fachleute nennen es ein kontinuierliches Spektrum. Kontinuierlich bedeutet ohne Unterbrechung.

In einer Leuchtstoffröhre steckt dagegen ein dünnes Gas aus Quecksilber. Strom bringt das Gas zum Leuchten. Die hellen Linien, die du siehst, stammen von diesem Quecksilbergas. Ein leuchtendes Gas sendet nämlich nur Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen aus. Jeder Stoff hat dabei seine eigenen Linien. Fachleute nennen das ein Linienspektrum. Deshalb sind die Linien immer gleich, egal welche Leuchtstoffröhre du untersuchst. In den gelben Straßenlaternen leuchtet ein anderes Gas, nämlich Natrium. Natrium steckt auch im Kochsalz. Weil Natrium andere Linien hat als Quecksilber, sieht das Licht der Laterne im Spektroskop anders aus.

Was hat das Spektroskop mit Polarlichtern zu tun?

Ein Polarlicht ist leuchtendes Gas hoch oben in der Lufthülle, und deshalb besteht sein Licht im Spektroskop aus einzelnen Linien statt aus einem durchgehenden Farbband. Polarlichter entstehen, wenn Teilchen von der Sonne in der Luft auf Sauerstoff und Stickstoff treffen und diese zum Leuchten bringen. Das ist ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre, in der Strom ein Gas zum Leuchten bringt.

Die wichtigste Linie im Polarlicht ist eine grüne Linie mit einer Wellenlänge von 557,7 Nanometern. Sie stammt von Sauerstoff in etwa 100 Kilometern Höhe. Seltener sieht man eine rote Linie bei 630 Nanometern. Auch sie kommt vom Sauerstoff, aber aus etwa 300 Kilometern Höhe. Blaue und violette Linien bei 391,4 und 427,8 Nanometern stammen vom Stickstoff. An diesen Linien erkennen Forscher genau, welches Gas am Himmel leuchtet. Wie Polarlichter entstehen und warum sie in Deutschland meist rot sind, erklärt unser Beitrag Polarlichter: Wie entstehen sie und wo kann man sie sehen?

Wie haben Forscher herausgefunden, woher die Polarlicht-Farben kommen?

Forscher haben das Licht der Polarlichter mit Spektroskopen untersucht und die Linien später im Labor wiedergefunden. Im Jahr 1868 entdeckte der schwedische Forscher Anders Ångström im Licht der Polarlichter eine helle grüne Linie. Lange wusste niemand, welcher Stoff sie aussendet. Erst im Jahr 1927 gelang es dem Forscher John McLennan und einem Kollegen, die grüne Linie im Labor zu erzeugen. Damit war klar, dass sie vom Sauerstoff stammt. Die rote Sauerstofflinie wurde im Jahr 1930 zum ersten Mal im Labor beobachtet.

Dass es so lange dauerte, hat einen Grund. Ein angeregtes Sauerstoffatom wartet eine Weile, bevor es grünes oder rotes Licht aussendet. Für Grün wartet es etwa eine dreiviertel Sekunde, für Rot sogar etwa 110 Sekunden. In einem gewöhnlichen Laborgefäß stößt das Atom in dieser Zeit fast immer gegen ein anderes Teilchen und verliert seine Energie, ohne zu leuchten. Hoch oben in der dünnen Luft passiert das viel seltener.

Wer hat das Spektroskop erfunden?

Den ersten Apparat, mit dem man Stoffe an ihrem Licht erkennen kann, haben der Physiker Gustav Kirchhoff und der Chemiker Robert Bunsen im Jahr 1859 in Heidelberg entwickelt. Es bestand aus zwei Fernrohren und einem drehbaren Prisma. Ein Prisma ist ein dreieckiges Stück Glas, das Licht in seine Farben zerlegt. Bunsen erhitzte verschiedene Salze in einer Flamme, und Kirchhoff zerlegte das Licht der Flamme mit dem Prisma. Dabei fanden sie heraus, dass jeder Stoff seine eigenen, immer gleichen Linien hat. Sie nannten ihr Verfahren Spektralanalyse. Mit ihr entdeckten sie sogar zwei neue chemische Stoffe, das Cäsium und das Rubidium.

Schon im Jahr 1814 hatte der Forscher Joseph von Fraunhofer im Farbband des Sonnenlichts feine dunkle Linien entdeckt. Kirchhoff fand heraus, woher sie kommen. Die Gase rund um die Sonne verschlucken genau die Farben, die sie selbst aussenden würden. Seitdem können Forscher aus dem Licht der Sonne und der Sterne ablesen, aus welchen Stoffen sie bestehen.

Was tun, wenn das Spektroskop nicht klappt? – Wenn du gar keine Farben siehst, zeigt die CD in die falsche Richtung. Öffne den Deckel und dreh die CD in der Knete, während du durch das Guckloch schaust. – Wenn die Farben verschwommen sind, ist der Spalt zu breit. Schiebe die beiden Stücke Alufolie näher zusammen. – Wenn das Bild sehr dunkel ist, ist der Spalt zu schmal oder die Lampe zu schwach. Mach den Spalt ein kleines bisschen breiter oder geh näher an die Lampe heran. – Wenn alles hell und blass aussieht, fällt Licht durch Ritzen in den Karton. Klebe alle Ritzen mit dem schwarzen Klebeband ab. – Wenn du eine DVD genommen hast, tausche sie gegen eine CD. Für diesen Aufbau eignet sich eine CD besser.

Jetzt selbst ausprobieren

Mit deinem Spektroskop siehst du, dass leuchtende Gase nur ganz bestimmte Farben haben, so wie der Sauerstoff im Polarlicht. Diese Farben kannst du auch in ein Glas bringen. Wie du ein Windlicht bastelst, das in den Farben eines Polarlichts leuchtet, zeigen wir dir Schritt für Schritt in unserer Anleitung Windlicht basteln.

Quellen: Schulbiologiezentrum Hannover: CD-Spektroskop, Exploratorium: CD Spectroscope, Universität Münster: Anleitung Spektroskop, Hochschule Koblenz: Papier-Spektroskop, Welt der Physik: Wie entstehen Polarlichter?, Spektrum Lexikon der Optik: Polarlicht, DLR: Polarlichter, die Besonderheit der Polregionen, Journal of Geophysical Research: Sauerstofflinien 630,0 und 557,7 nm und Universität Heidelberg: 200 Jahre Gustav Robert Kirchhoff.

Kathrin Landsdorfer

Ich bin SEO-Beraterin, zertifizierte Werbetexterin und Konzeptionerin und habe seit 2020 eine eigene SEO-Agentur. In meinem Blog schreibe ich über alle Themen rund um Schreibberatung, strategisches SEO, GEO-Optimierung und Copywriting.