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Fernrohre und Teleskope - Referat
Fernrohre und Teleskope
1. Die Entwicklungsgeschichte der Fernrohre
Das erste Fernrohr stellte der holländische Brillenschleifer Hans Lipperhey Anfang des 17. Jahrhunderts, etwa 1608/09,her. Lipperheys Leistung bei der Entwicklung des Gerätes bestand darin, dass er das nun bereits vorhandene Wissen aus der Brillentechnik nutzte und mithilfe von zwei Linsen ein Fernrohr baute und dieser Konstruktion abschließend eine Blende hinzufügte, die dafür sorgte, dass das Bild nicht mehr verschwommen war.
Vor der Erfindung des Fernrohrs mit Linsenoptik diente der Blick durch ein einfaches Rohr (ein sogenanntes Sehrohr) zur Ausblendung von Streulicht, so dass einzelne Himmelsobjekte deutlicher wahrgenommen werden konnten.
Anwendung fand das Fernrohr vor allem beim Militär und in der Astronomie.
Galileo Galilei machte mit einem solchen Fernrohr als erster bedeutsame astronomische Beobachtungen und entdeckte u.a. die 4 großen Jupitermonde. Auch Johannes Kepler konstruierte ein solches Fernrohr und konnte bereits 1611 das Fernrohr erklären und theoretische Vorschläge zu dessen Verbesserung machen.
Der Wunsch nach immer tieferen Einblicken in den Weltraum erforderte Linsen mit großer Brennweite. Die Fernrohre zu dieser Zeit wurden dadurch immer länger, das größte Fernrohr war 45m lang. Da der Fertigung von Linsen mit großer Brennweite und geringen Farbfehlern im 17. Jahrhundert Grenzen gesetzt waren, begann man Spiegelfernrohre zu bauen.
1616 baute der Jesuitenpater Nicolaus Zucchius das erste Spiegelteleskop. Dieses bestand aus einem leicht gekippten Hohlspiegel und einer Zerstreuungslinse, die das Okular bildete und seitlich angeordnet war, damit der Beobachter den Lichteinfall zum Hohlspiegel nicht verdeckt. Aufgrund der gekippten Anordnung hatte das Teleskop jedoch starke Abbildungsfehler.
In den Jahren 1668–1672, entwickelte Isaac Newton ein verbessertes Teleskop . Dieses vermied den gekippten Hauptspiegel, indem zentral über dem Hauptspiegel ein planer Umlenkspiegel angeordnet war, über den der Beobachter seitlich in das Instrument hineinblicken konnte. Aufgrund seines einfachen Aufbaus bildete es den Prototyp vieler folgender Teleskope.
Die Spiegelherstellung erforderte auch sehr viel Geschick. Erst im 18.Jahrhundert konnte Wilhelm Herrschel große Spiegel schleifen und erreichte eine bis zu 7676fache Vergrößerung, womit er u.a. den Planeten Uranus entdeckte.
1721 gelang es den Brüdern Hadley, den ungleich schwieriger zu fertigenden parabolischen Hauptspiegel herzustellen. Auf dieser Grundlage wurden dann in den nachfolgenden 150 Jahren immer größere Teleskope gebaut,
Bei der Weiterentwicklung der Linsenfernrohre führte die Kombination von Sammel und Zerstreuungslinse im Objektiv zur Verringerung von Farbfehlern. Der Engländer Hall löste dieses Problem etwa 1729 durch Probieren verschiedener Linsenkombinationen.
Diese Probiermethode löste Joseph von Fraunhofer mit wissenschaftlichen Berechnungen ab.Seine hervorragendste Leistung besteht in der Verbindung von exakter wissenschaftlicher Arbeit und deren praktischer Anwendung.Mit dem nach ihm benannten Fraunhofer-Refraktor konnte der Planet Neptun entdeckt werden.
2. Bildenstehung von Fernrohr und Teleskop (Prinzip)
Ein Fernrohr, auch Linsenfernrohr oder Refraktor genannt, ist ein optisches Instrument, mit dem entfernte Objekte um ein Vielfaches näher oder größer erscheinen. Dies wird durch eine Vergrößerung des Sehwinkels mit Hilfe von Linsen erreicht. Prismen und Spiegel können dazu dienen, das Bild aufzurichten, oder die Baulänge des Fernrohrs zu vermindern.
Sammellinsen und Hohlspiegel dienen dabei der Abbildung dieser Objekte . Mit Hilfe von Brennpunkt- und Parallelstrahlen lassen sich die Bilder konstruieren. Je nach Lage des Gegenstandes in Bezug auf den Brennpunkt unterscheiden sich die Bilder.
Das Prinzip des Fernrohres besteht darin, daß sich die zu beobachtenden Objekte weit außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs (Linse oder Hohlspiegel) befinden. Mit Hilfe des Objektivs wird ein reelles verkleinertes Bild erzeugt. Dieses Zwischenbild betrachhtet der Beobachter durch das Okular (Linse oder Linsensystem) wie durch eine Lupe.
Das astronomische oder keplersche Fernrohr besteht aus zwei Sammellinsen: Die eine ist eine Sammellinse mit großer Brennweite, die Objektiv genannt wird. In das Objektiv treten die vom beobachteten Gegenstand ausgehenden Strahlen ein. Die Entfernung zwischen dem beobachteten Gegenstand und dem Objektiv beträgt bei astronomischen Beobachtungen mehr als die doppelte Brennweite des Objektivs
Es entsteht ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes, reelles Bild hinter der Linse. Je weiter der Gegenstand vom Objektiv entfernt ist, desto näher rückt das Bild an die Brennebene. Da der Gegenstand (Planeten, Sterne und Galaxien) so weit entfernt ist, dass man näherungsweise von unendlicher Entfernung ausgehen kann, rückt das Zwischenbild in die Brennebene.
 
Aufbau eines Fernrohrs
Achsenparallele Strahlen werden durch eine Sammellinse in den Brennpunkt vereinigt; parallele Strahlen, die nicht parallel zur optischen Achse verlaufen, werden zwar nicht in den Brennpunkt, aber in die Brennebene vereinigt. Dort entsteht also das Zwischenbild.
Dieses reelle Zwischenbild wird durch eine zweite Sammellinse mit kleiner Brennweite betrachtet. Diese zweite Sammellinse heißt Okular. Das Okular wirkt wie eine Lupe, das heißt, es vergrößert das Zwischenbild entsprechend. Man erhält also ein vergrößertes, virtuelles Bild des Zwischenbildes – und damit insgesamt ein umgekehrtes, seitenvertauschtes virtuelles Bild des Gegenstandes unter einem größeren Sehwinkel als demjenigen, unter dem man ihn ohne Fernrohr sehen würde.
Okular und Objektiv haben als Abstand die Summe ihrer beiden Brennweiten, das Zwischenbild liegt also ebenfalls in der Brennebene des Okulars (die bildseitige Brennebene des Objektivs ist gleichzeitig die gegenstandseitige Brennebene des Okulars). Da die Strahlen das Okular parallel verlassen und parallele Strahlen sich erst im Unendlichen schneiden, sieht das Auge das endgültige Bild deshalb im Unendlichen
Das Wort Teleskop bezeichnet heute alle Instrumente, die elektromagnetische Wellen sammeln und bündeln, um auch weit entfernte Objekte und Vorgänge besser beobachten zu können. Der Begriff wurde bis weit in das 20. Jahrhundert hinein gleichbedeutend mit dem Wort Fernrohr benutzt.Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Spiegelteleskope sind Teleskope, die als Objektiv einen Hohlspiegel besitzen. Bei den meisten Bauformen sind auch andere optische Elemente als Spiegel ausgeführt.
Im Gegensatz zum Objektiv eines Fernrohrs wird das einfallende Licht nicht gebrochen, sondern vom Hauptspiegel reflektiert, dadurch werden Farbfehler vermieden. Da das Licht den Spiegel im Gegensatz zu einer Linse nicht durchdringt, kann man den Hauptspiegel mit geeigneten Mechaniken abstützen und daher in fast beliebiger Größe ausführen.
3. Eigenschaften von Fernrohren
Fernrohre haben die Aufgabe, das von den Beobachtungsobjekten einfallende Licht zu sammeln und diese auf den Empfänger oder die Eintrittsöffnung eines Zusatzgerätes abzubilden.
Dazu sind nachfolgende optische Eigenschaften von Fernrohren von Bedeutung:
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3.1 Vergrößerung
Bei visuellen Beobachtungen spielt die Vergrößerung V des Teleskops eine Rolle. Die Vergrößerung V eines Fernrohres erhält man, indem die Objektivbrennweite durch die Okularbrennweite dividiert wird:
Da wegen der Beugung des Lichts das Auflösungsvermögen des Fernrohrs vom Objektivdurchmesser abhängig ist, gibt es auch eine obere Grenze für die maximal sinnvolle Vergrößerung. Die Vergrößerung, welche das Auflösungsvermögen des Fernrohrs der des menschlichen Auges optimal anpasst, wird als nützliche Vergrößerung bezeichnet. Diese ist zahlenmäßig etwa zweimal so groß, wie der Durchmesser des Fernrohrobjektivs in Millimetern. Ein Fernrohr mit 50mm Objektivdurchmesser sollte deshalb maximal 100-fach vergrößern.
3.2 Sehwinkel
Das Grundprinzip des Fernrohrs ist die Sehwinkelvergrößerung. Je weiter weg ein Gegenstand ist, desto kleiner wird der Sehwinkel und damit der Gegenstand. Wenn man also durch geschickte Brechung der Lichtstrahlen den Sehwinkel vergrößert, vergrößert sich auch die erscheinende Größe des Gegenstandes. Die vordere Linse des Fernrohrs (das Objektiv) erzeugt bei der Brennweite ein Zwischenbild, das durch die Linse beim Auge (das Okular) wie eine Lupe vergrößert wird.
Ein weit entfernter Gegenstand erscheint ohne Benutzung optischer Hilfsmittel unter dem Sehwinkel :
ao ( a ohne).
Wenn man nun ein optisches System dazwischen schaltet, mit dem ein Bild des zu betrachtenden Gegenstand möglichst nah an das Auge herangerückt wird, dann erscheint dieses Bild unter dem neuen Sehwinkel am.(a mit)
Als Winkelvergrösserung Vw bezeichnet man nun das Verhältnis der beiden Sehwinkel:
Vw = am / ao .
3.3 Lichtsammelvermögen
Mit dem Lichtsammelvermögen wird die Menge des Lichts angegeben, die in ein optisches Instrument im Verhältnis zur Pupille des Auges einfällt Aufgabe eines Teleskops ist es, möglichst viel Licht zu sammeln und im Brennpunkt des Objektivs zu einem Bild zu vereinen. Der wichtigste Wert eines Telekops ist dabei der Objektivdurchmesser.
Je größer die Öffnung, um so mehr Objekte werden sichtbar, weil mit größerer Öffnung die lichtsammelnde Fläche größer wird.
Das Objektiv bündelt das Licht im Brennpunkt Fob. Der Brennpunkt des Okulars Fok fällt mit dem Brennpunkt des Objektivs zusammen. Aufgrund der Entfernung der Sterne fällt das von ihnen kommende Licht nahezu parallel ein, so daß das vom gemeinsamen Brennpunkt kommende Licht das Okular auch wieder parallel verläßt.
3.4 Auflösungsvermögen
Der Begriff Auflösungsvermögen bezeichnet die Unterscheidbarkeit feiner Strukturen, also z. B. den kleinsten noch wahrnehmbaren Abstand zweier punktförmiger Objekte. Durch die Angabe eines Winkelabstandes oder durch die Angabe des Abstandes gerade noch trennbarer Strukturen lässt er sich quantifizieren. Das Auflösungsvermögen von Teleskopen gibt man oft in der Winkeleinheit Bogensekunde an
Das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs wächst mit der zunehmenden Öffnung des Objektivs. Wenn man eine hohe Auflösung hat, kann man feine Einzelheiten in den Objekten erkennen. Das Auflösungsvermögen wird als Fähigkeit, zwei eng beieinander liegende Objekte einzeln erkennbar abzubilden, definiert. Es beträgt bei einem Objektivdurchmesser von 100mm ungefähr eine Bogensekunde.In der Praxis bedeutet das u.a., dass man z.B. zwei Doppelsterne, die in einem bestimmten Winkelabstand stehen, noch trennen kann. Je enger der Winkel von den Doppelsternen oder Details auf den Planeten ist, desto mehr Öffnung braucht man, um ein höheres Auflösungsvermögen zu erreichen und schließlich die Objekte trennen zu können.
4. Unterschied der Himmelsfernrohre
Im allgemeinen unterscheidet man zwischen Linsen-und Spiegelfernrohren. Hierbei gibt es jedoch jeweils unterschiedliche Bauformen.
Als wesentlichster Vertreter der Linsenfernrohre gilt die Bauform des Kepler-Fernrohres
Es hat vorne am Objektiv eine Sammellinse und am hinteren Ende, dem Okular, ebenfalls. Das Keplerfernrohr erzeugt ein Kopf stehendes Bild und im Rohr(Tubus) am Brennpunkt ein Zwischenbild. Mit dem Objektivbrennpunkt fällt der Okularbrennpunkt zusammen. Das Okular, das hier die einzelne Sammellinse ist, bietet praktisch ein vergrößertes Abbild des Zwischenbildes.
Je nach Anzahl der im Objektiv verwendeten Linsen unterscheidet man 3 Systeme - Chromat (mit 1 Linse), Achromat (mit 2 Linsen) und Apochromat (mit 3 Linsen).
Ein System mit nur einer Linse hat praktisch keinen gemeinsamen Brennpunkt, die Farben Rot, Blau und Grün kommen in einem unterschiedlich gelagerten Brennpunkt zusammen, weil die Brennweite für rotes Licht länger ist als die für blaues oder grünes Licht. Nur beim Apochromat können alle drei Farben durch die dritte, sehr teure Linse in einem gemeinsamen Brennpunkt vereint werden. Entsprechend bestimmt die Anzahl der Linsen Qualität und Kosten.
Das Spiegelteleskop funktioniert mit 2 Spiegeln, dem Primärspiegel (auch Hauptspiegel) und dem Sekundärspiegel.
Das am Eingang des Tubus eintretende Licht trifft am hinteren Ende des Tubus auf den Primärspiegel, der ein Hohlspiegel ist.
Dieser sammelt und fokussiert das Licht und reflektiert es auf den Sekundärspiegel, auch gennant Fangspiegel.
Dieser bündelt das Licht und lenkt es anschließend aus dem Tubus in ein Okular. Spiegelteleskope werden noch in weitere Kategorien aufgeteilt, die wichtigsten sind:
Newton:
Der Newton-Reflektor ist der einfachste Reflektor mit einem Parabolspiegel als Hauptspiegel und einem planen Fangspiegel.
Schmidt-Cassegrain:
Diese verwenden zur Bilderzeugung sowohl Spiegel als auch Linsen und sind den Newton-Teleskopen sehr ähnlich.
Maksutov:
verwenden zur Bilderzeugung sowohl Spiegel als auch Linsen und sind den Newton-Teleskopen sehr ähnlich.
5. Fernrohre und Teleskope von heute und morgen
Nachdem es 1897 gelungen war, das mit einem Durchmesser von 102cm und einer Brennweite von 19,79m größte Objektiv für das Yerkes-Observatorium in den USA zu produzieren, waren weitere Steigerungen wegen der zu großen Eigenmasse der Linsen unsinnig, die technischen Grenzen der Linsenfernrohre waren erreicht.
Spiegelfernrohre dagegen wurden durch den Fortschritt bei der Herstellung von Spiegeln zu einer entwicklungsfähigen Alternative. Aber auch bei Spiegelteleskopen beginnen sich bei einem Durchmessese von 5 bis 6m aufgrund des Eigengewichts die Spiegel zu verformen. Es wurden deshalb zunächst Lösungen mit zusammengesetzten Spiegeln angestrebt. Ein weiterer Entwicklungssprung wurde auch durch die Einbeziehung von Computersteuerungen erreicht, wie mit Einführung der aktiven Optik.
DerBeeinträchtigung der Bildqualität durch atmosphärische Störungen begegnet man mit der adaptiven Optik. Um jedoch die Storungen der Atmosphäre gänzlich auszuschließen, werden Spiegelteleskope immer mehr außerhalb der Erdatmosphäre positioniert.
So wurde das von der NASA und der ESA gemeinsam entwickelte Hubble-Weltraumteleskop 1990 im Weltraum positioniert. Es arbeitet im Bereich des elektromagnetischen Spektrums vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis in den Ultraviolettbereich.
2018 könnte das geplante James-Webb-Weltraumteleskop die Nachfolge des Hubble-Weltraumteleskops antreten. Es befindet sich derzeit im Bau und ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur (CSA)
Das Teleskop soll in eine Umlaufbahn an dem Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems gebracht werden, ca. 1,5 Millionen km von der Erde entfernt auf der sonnenabgewandten Seite.
Das Hubble-Teleskop umkreist hingegen die Erde, weshalb die maximale Belichtungszeit nur etwa 40 Minuten beträgt,
Das Hubble-Weltraumteleskop
6. Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/Fernrohr/Geschichte
http://de.wikipedia.org/wiki/Spiegelteleskop/Geschichte
Lehrbuch „Physik plus – Klasse 10“ (ISBN: 978-3-06-012999-7)
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle
http://de.wikipedia.org/wiki/Teleskop
http://www.physik.wissenstexte.de/fernrohr.htm
http://www.astro.uni-jena.de/Teaching/Praktikum
www.geometrische-optik.de/OPTIK-Texte-html/Kapitel91
http://www.astronomieseite.de/html/teleskope.
http://www.astroshop.de/beratung/teleskop
http://www.astronomie-tagebuch.de/refraktor.php
http://www.astronomie-tagebuch.de/reflektor.
http://de.wikipedia.org/wiki/Hubble-Weltraumteleskop
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