Anti-Photonen? ;-) Warum erzeugen gleiche chem. Elemente im Licht eines Nebels eine Emissionslinie, aber im Sternenlicht i.d.R. eine Absorbtionslinie?

[heinrichl]

Hallo zusammen!
Wasserstoff (H), Helium (He), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Neon (Ne), Stickstoff (O) und Schwefel (S) sind ungefähr die 7 häufigsten chemischen Elemente im Universum.

Wenn Licht durch einen Nebel geht, dann geht ein Teil des Lichts nicht direkt durch, sondern die Elektronen der chemischen Elemente des Nebels nehmen einen Teil der Photonen auf. Dadurch wird das Elektron des Elements energetisiert und es springt auf ein höheres Orbital. Dieser Zustand ist aber nicht stabil, das Elektron gibt die Energiedifferenz zum niedrigeren Orbital wieder als Photon ab und kehrt auf das niedrigere Orbital zurück.

Da die Elektronenorbitale eines Elements diskrete Stufen haben und eben nicht fortlaufend sind, wird das aufgenommene breite Lichtspektrum in einem ganz engen Wellenlängebereich wieder abgestrahlt, nämlich in der Wellenlänge, die genau die Energie hat, die der Energiedifferenz zwischen den Elektronenorbitalen entspricht.

Jedes Element hat andere, spezifische Elektronenorbitale, dadurch entstehen für jedes Element ganz charakteristische Emissionslinien. Weil die meisten Nebel viel Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel haben und sie hauptsächlich in den Wellenlängen der Emissionslinien der enthaltenen Elemente leuchten (und man diese Filter besonders leicht herstellen kann), schrauben wir uns zum Fotografieren eines Nebels also H-alpha, O-III und S-x Filter drauf.

So weit verstehe ich das noch.

Wenn man aber ein Lichtspektrum eines Sterns aufnimmt, dann erzeugen die gleichen 7 Elemente im Sternenlicht i.d.R. keine Emissionslinie, sondern eine Absorbtionslinie, d.h. das Licht wird in der charakteristischen Spektralwellenlänge des Elements nicht mehr, sondern massiv weniger! Im Lichtspektrum des Sterns entsteht kein Peak sondern eine Lücke/ Loch!

Warum ist das so?

Es ist auch kein Sommerlochrätsel, ich weiß es wirklich nicht. Ich bin über den Thread Sonnenspektrum mit Stecknadel auf das Thema gestoßen, als ich mir die aufgenommen Spektrallinien angeschaut habe. Und ich habe das gecheckt, es stimmt, Sterne haben i.d.R. Absorbtionslinien, keine Emissionslinien wie ein Nebel.
Gruß

P. S.: Die Quantenphysiker sagen, es gibt keine Anti-Photonen. Im Standardmodell der Quantenphysik sind Photonen ausschließlich positive Energieüberträger. Energetisch negative Anti-Photonen gibt es nicht.

 

[dako76]

In aller Kürze: Ein Stern emitiert zunächst einmal ein recht kontinuierliches Spektrum (da Plasma). Die Absorbtionslinien entstehen beim Durchtritt durch die Atmosphäre (des Sterns wohlgemerkt), die entsprechend kühler ist und in der dann die e- wieder an die Atomkerne gebunden sind.

 

[dhuber1]

Wie dako76 schon geschrieben hat, hast du ein kontinuierliches Spektrum durch das Plasma. Die Atome in der Atmosphäre des Sterns absorbieren dieses Licht und ein Elektron wird in einem höheren Energiezustand angehoben. Das Elektron relaxiert nach einer gewissen Zeit wieder und gibt wieder ein Photon bei der charakteristischen Wellenlänge ab. Der Grund warum du das als Absorbtionslinie und nicht als Emissionslinie siehst ist das, dass Photon vom Atom in alle Raumrichtungen emittiert werden kann. D.h. es kommen bei dieser Wellenlänge weniger Photonen "auf dich zu" weil die Atome sie absorbieren, und dann in alle Richtungen aussenden, aber nicht notwendigerweise so das du sie siehst. Daher kommen effektiv weniger Photonen bei den
Charakteristische Wellenlängen auf dich zu als vom Plasmakontinuum und die Linie ist im vergleich zum Hintergrund schwächer in ihrer Intensität.

 

[heinrichl]

Danke.

Die Atome in der Atmosphäre des Sterns absorbieren dieses Licht und ein Elektron wird in einem höheren Energiezustand angehoben. Das Elektron relaxiert nach einer gewissen Zeit wieder und gibt wieder ein Photon bei der charakteristischen Wellenlänge ab.

Bis hierhin ist das genau gleich wie bei einem Nebel.

Der Grund warum du das als Absorbtionslinie und nicht als Emissionslinie siehst ist das, dass Photon vom Atom in alle Raumrichtungen emittiert werden kann. D.h. es kommen bei dieser Wellenlänge weniger Photonen "auf dich zu" weil die Atome sie absorbieren, und dann in alle Richtungen aussenden, aber nicht notwendigerweise so das du sie siehst. Daher kommen effektiv weniger Photonen bei den Charakteristische Wellenlängen auf dich zu als vom Plasmakontinuum und die Linie ist im vergleich zum Hintergrund schwächer in ihrer Intensität.

Gut, aber warum ist es beim Nebel anders? Warum strahlt ein Nebel die Emissionslinie in Richtung des Beobachters ab, aber ein Stern nicht? Eigentlich würde das nur Sinn machen, wenn sich die elektro-magnetische Lichtwelle noch nicht vollständig aufgebaut hätte und die Energie chaotisch aus dem Plasma kommen würde. (So wie bei einer Radiowellenantenne. Da baut sich das Signal auch erst in ca. 1m Abstand vollständig auf. Wenn man in 10 cm mit einem Pegelmesser misst, misst man weniger Signal.)

Eine Neonröhre hat auch Plasma, kann das Licht auch in fast alle Richtungen abstrahlen und erzeugt aber einen Emissionspeak!

Die KI sagt, die Atmosphäre eines Sterns würde absorbieren, weil sie kälter ist. Aber ein Nebel im freien Weltraum ist ja noch kälter!
Gruß

 

[Mischa]

Bei einem Stern beobachtest du ein kühles Gas gegen einen hellen Hintergrund. Das Gas absorbiert Photonen, die normalerweise in deine Richtung ausgesendet wurden, und emittiert sie dann in eine andere Richtung (nicht ganz zufällig, aber die Details sollen hier mal egal sein).

In einem Emissionsnebel hast du irgendwo in der Nähe, entweder eingebettet oder deutlich außerhalb, einen oder mehrere heiße Sterne, die das Gas mit UV Strahlung ioniseren, und anschliessend rekombinieren die Elektronen mit den Ionen wieder. Einige dieser Photonen werden in deine Richtung abgestrahlt, und die siehst du gegen einen dunklen Hintergrund. Kollisionen im Gas lass ich jetzt mal weg, die können da auch eine Rolle spielen (collisional excitation and de-excitation).

 

[heinrichl]

Dann wäre die Kurzzusammenfassung also folgende:

Die Reemission eines Photons, dass ein kaltes Gas absorbiert hat, erfolgt immer in der spezifischen Wellenlänge des Elements (die der Differenz der Elektronenorbitalenergien entspricht) und in eine andere Richtung.

Der Nebel hat einen dunklen Hintergrund. Durch die Photonenumlenkung von Licht eines Sterns, dass normaler Weise am Beobachter vorbei gehen würde, beginnt der Nebel spezifisch in der spektralen Wellenlänge des Gases zu leuchten. Es entsteht eine Emissionslinie.

Ein Stern ist ein heller Hintergrund mit einem breitem Lichtspektrum. Das Licht kommt auf den Beobachter zu. Auch in der kalten Gasatmosphäre des Sterns werden die Photonen in den spezifischen spektralen Wellenlängen nun in eine andere Richtung reemittiert. Da aber das Licht zuvor auf den Beobachter zu kam, werden diese Photonen nun aus der Beobachtungslinie ausgelenkt und es entsteht eine Absorptionslinie, also eine spektrale Lücke im Lichtspektrum des Sterns.

Ich glaube, ich habe es verstanden.

Vielen Dank für die Erklärungen.

 

[dako76]

Ersetz am Besten noch „andere Richtung“ durch „beliebige Richtung“. Dadurch, dass die Wahrscheinlichkeit der gleichen Richtung vernichtend gering ist, kommt es im Effekt zwar aufs Gleiche raus aber die Richtung der spontanen Emission ist nicht festgelegt auch nicht im Sinne eines Ausschlusses einer Richtung.

 

[heinrichl]

Ersetz am Besten noch „andere Richtung“ durch „beliebige Richtung“.

Ganz beliebig ist die Verteilung der Richtungsauslenkung der Photonen nach einer spektralen Interaktion wohl doch nicht, insbesondere fast nichts in 180° Zurück Richtung.

Seit 2020 gibt es den RASCAS Radiation Scattering in Astrophysics Simulator, um die Photonen-Durchdringung eines Nebels inklusive der spektralen Reemissionseffekte zu simulieren: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/03/aa34961-18/aa34961-18.html

Jetzt funktioniert die KI Suche wieder. Aber wenn der gleiche physikalische Effekt unterschiedliche Endergebnisse erzeugt, kriegt eine KI aktuell die Fallunterscheidungen noch nicht hin.
Also danke nochmal

 

[dako76]

Ganz beliebig ist die Verteilung der Richtungsauslenkung der Photonen nach einer spektralen Interaktion wohl doch nicht, insbesondere fast nichts in 180° Zurück Richtung.

In welcher Größe soll denn bei einer Absorbtion und anschließenden (es vergeht ja durchaus - wenn auch nicht für menschliche Alltagsmaßstäbe - merklich Zeit) spontanen Emission (und das ist sowohl bei den Absorbtionslinien von Sternen als auch den Emissionslinien von Nebeln der relevante Effekt) die Bevorzugung bzw. Unterdrückung einer Emissionsrichtung hinterlegt sein?
Es ist ein reiner Effekt der beliebigen Verteilung auf alle Raumwinkel.

Es gibt ja durchaus Konstellationen in denen es eine Bevorzugung von Abstrahlrichtungen geben kann, z.B. bei extrem kalten Atome, äußeren extrem starken B Feldern, polarisierten anregenden Photonen usw. Das ist hier aber weder allgemein der Fall noch hier im speziellen relevant, zumindest nicht systematisch.

 

[heinrichl]

Die KI hat mir dazu folgendes Paper angekarrt:

Scattered H-alpha light from Galactic dust clouds https://arxiv.org/abs/astro-ph/0610236

Darin heißt es (ganz am Ende):
"We have adopted three different scattering functions ranging from isotropic (g = 0) to a strongly forward directed one (g = 0.9). While all the calculated scattered light line profiles have closelythe same mean velocity the line width is smaller for the forward scattering as compared to the isotropic scattering
case. In the latter case the cloud “sees” with equal weighting the whole sky, with impinging Hα velocities ranging from VLSR ≈ -50 to +50 km/s. The differences are, however, too small to allow a distinction between the different values of g (see Fig. 4)."

Offen gesagt bin ich aber kein Physiker. Ich weiß nicht, ob ein Elektron die Energie eines (oder mehrerer niedrig-energietischer) Photonen absorbieren kann, dann mindestens ein Mal durch den Atomkern tunneln und beim Runterfallen auf das nächst niedrigere Orbital, dann die Differenzenergie wieder als Photon in jede mögliche 360 Grad Richtung abgeben kann. Möglicher Weise hängt die Dauer des angeregten Zustands des Elektrons auch davon ab, welche Temperatur das Gas hat und damit wie hoch der Ausgangs-Anregungszustand des äußeren Elektrons ist? Und ob es sich um Wasserstoff mit einem Kugeloribital handelt oder um andere Elemente, deren äußere reaktive Elektronen ein nicht-kugelförmiges Orbital haben?

Die Auflösung eines Hobbyastronomenspektrogragraphen ist ohnehin nicht hoch genug, dass man da in einem Nebel Unterschiede erkennen könnte.

Wenn Du als Physiker also sagst, der Anregungszustand des Elektrons dauert lange genug, dass das reemittierte Photon am Ende in jede Richtung geht, dann muss ich das einfach glauben.
Gruß

 

[dako76]

Ich erkenne bei dem dir von der KI gelieferten Text keinen Zusammenhang zur Beliebigkeit der Richtung bei der spontanen Emission.

Vielleicht auch noch ein Tip: Stell dir die e- Hülle nicht so mechanisch vor, auch wenn das Dank Bohr immer gerne herangezogen wird. Das taugt nur für einen extrem geringen Bruchteil aller Effekte der Atomphysik.

Es fängt damit an, dass in Mehrelektronenatomen oftmals eh nicht das urspünglich angeregte e- sein altes Energieniveau einnehmen wird, bis dahin, dass da kein e- auf eine andere Seite des Atomkerns tunneln muss, die Energien mehrerer Photonen sich nicht aufaddieren lassen zur Anregung, die thermische Energie des Atoms für die Energiezustände der e- keine Rolle spielt usw.

Interessant an deinen Überlegungen ist: Wenn die mechanische Vorstellung stimmen würde und wenn die Emission unmittelbar auf die Absorbtion und durch das selbe e- erfolgen würde, dann müsste die urprüngliche Ausbreitungsrichtung (wie auch die genau entgegenegesetzte) sogar unter den bevorzugten Emissionsrichtungen sein und gerade nicht unterdrückt.

Am einfachsten (und korrektesten) ist, wenn du Absorbtion und Emission als Effekte völlig trennst.

 

[Rainer Borchmann]

Ganz beliebig ist die Verteilung der Richtungsauslenkung der Photonen nach einer spektralen Interaktion wohl doch nicht, insbesondere fast nichts in 180° Zurück Richtung.

Seit 2020 gibt es den RASCAS Radiation Scattering in Astrophysics Simulator, um die Photonen-Durchdringung eines Nebels inklusive der spektralen Reemissionseffekte zu simulieren: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/03/aa34961-18/aa34961-18.html

Jetzt funktioniert die KI Suche wieder. Aber wenn der gleiche physikalische Effekt unterschiedliche Endergebnisse erzeugt, kriegt eine KI aktuell die Fallunterscheidungen noch nicht hin.
Also danke nochmal

Hallo HeinrichL,
kannst Du mir freundlicherweise mitteilen, welche KI Du für astronomische, also physikalischeProblemstellungen Du benutzt?
Ich bedanke mich und verbleibe mit besten Grüßen
CS
Rainer Borchmann