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Dọppler-Effekt

 

[nach C. Doppler], Dọppler-Prinzip, bei allen Wellenvorgängen beobachtbare Erscheinung, dass die Frequenz (beziehungsweise die Wellenlänge) beeinflusst wird, wenn Quelle (Schall-, Lichtquelle u. a.) und Beobachter sich relativ zueinander bewegen. Bewegt sich die Quelle auf den Beobachter zu (von ihm weg), so treffen in der Zeiteinheit mehr (weniger) Wellenzüge bei ihm ein, die Frequenz wird höher (niedriger), als wenn die Quelle relativ zu ihm ruht (longitudinaler Doppler-Effekt); z. B. ist der Ton eines an einem Beobachter vorbeifahrenden Sirenenfahrzeugs oder einer Lokomotive beim Herankommen höher als danach, wenn sich die Tonquelle entfernt (akustischer Doppler-Effekt). Bewegt sich der Beobachter (Empfänger) mit konstanter Geschwindigkeit v auf den relativ zum Medium der Wellenausbreitung in Ruhe befindlichen Wellenerreger zu oder von ihm weg, so gilt f = f₀ (1 + v /u ) bei Annäherung und f = f₀ (1 — v /u ) beim Entfernen; dabei ist f die vom Beobachter festgestellte Frequenz, f₀ die Frequenz, mit der die Wellen vom Wellenerreger abgestrahlt werden, u die Wellengeschwindigkeit. Bewegt sich dagegen der Wellenerreger mit konstanter Geschwindigkeit v auf den relativ zum Medium der Wellenausbreitung in Ruhe befindlichen Beobachter zu oder von ihm weg, so gilt f = f₀/(1 — v /u ) bei Annäherung und f = f₀/(1 + v /u ) beim Entfernen. Man erhält also bei gleicher Relativgeschwindigkeit v verschiedene Frequenzverschiebungen, je nachdem, ob sich Beobachter oder Quelle in Bewegung befinden, weil für die Größe des Doppler-Effekts nicht nur die Relativgeschwindigkeit zwischen Beobachter und Quelle, sondern auch die relative Ruhe oder Bewegung des Mediums eine Rolle spielt. Bei sich im Vakuum ausbreitenden elektromagnetischen Wellen ist nur die Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter maßgebend. Nach der Relativitätstheorie ergibt sich für die im System S beobachtete Frequenz, wobei f₀ die im System S₀ gemessene Frequenz ist, die eine in S₀ ruhende Quelle aussendet; v ist die Geschwindigkeit der Quelle relativ zum System S und c die Vakuumlichtgeschwindigkeit; α ist der in S gemessene Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Quelle und der Ausbreitungsrichtung der Welle. Für α = 90º ergibt sich, d. h., auch für eine Bewegung senkrecht zur Verbindungslinie Quelle-Beobachter ist eine Frequenzverschiebung beobachtbar (transversaler Doppler-Effekt).

 

In der Astronomie wird der optische Doppler-Effekt ausgenutzt, um von Himmelskörpern die Geschwindigkeit in Richtung der Gesichtslinie relativ zum Beobachter (Radialgeschwindigkeit) zu bestimmen. Die Radialbewegung hat eine Linienverschiebung (Doppler-Verschiebung) zum kurzwelligen (blauen) Ende im Gestirnsspektrum zur Folge (Blauverschiebung), wenn sich das Gestirn nähert, zum roten Ende (Rotverschiebung), wenn es sich entfernt. Bezeichnet λ₀ die Wellenlänge, mit der die Spektrallinie vom Himmelskörper ausgestrahlt wird, und λ die tatsächlich gemessene Wellenlänge, ergibt sich bei einer Relativgeschwindigkeit v sehr viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c die Wellenlängenverschiebung (λ — λ₀) / λ₀ = v / c; bei einer Annäherung ist die Geschwindigkeit negativ, bei einer Entfernung positiv. Die systematische Rotverschiebung in den Spektren ferner Galaxien wird als Hubble-Effekt bezeichnet. Die Wärmebewegung der strahlenden Atome verursacht die thermische Doppler-Verbreiterung der Spektrallinien.

 

Der Doppler-Effekt lässt sich mit Radarverfahren nachweisen. Er wird bei diesen Verfahren z. B. zur Geschwindigkeitsmessung bewegter Ziele (Flugzeuge) und zur Trennung verschiedener schnell bewegter Objekte (Flugzeuge und Boden- oder Störzeichen) ausgenutzt; in der Astronomie werden Radarverfahren u. a. zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit von Planeten und zur Geschwindigkeitsbestimmung von Meteoren eingesetzt.