Polarisation des Lichtes

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2 Polarisation des Lichtes Licht = transversal schwingende el.-magn. Welle Polarisationsrichtung: Richtung des el. Feldvektors Polarisationsarten: unpolarisiert: keine Raumrichtung bevorzugt (z.b. Glühbirne) linear polarisiert: Licht schwingt in definierter Ebene zirkular (bzw. elliptisch) polarisiert: Licht schwingt schraubenförmig Erzeugung/Nachweis: Der Polfilter absorbiert Licht einer Polarisationsrichtung, die andere geht durch (Dichroismus) unpolarisiertes Licht Polarisationsfilter: Polarisator linear polarisiertes Licht

3 Polarisation des Lichtes Licht Erzeugung/Nachweis: = transversal unpolarisiertes Reflektiertes Licht Licht unter dem linear schwingende Der Polfilter el.-magn. absorbiert Welle Brewster Winkel ist 100% polarisiert. polarisiertes Polarisationsrichtung: Licht einer Andersherum polarisiertes Licht Licht wird Richtung Polarisationsrichtung, des el. Feldvektors die nicht reflektiert. Es gilt: Polarisationsarten: andere geht durch unpolarisiert: (Dichroismus) keine α + β = 90 Raumrichtung Reflektiertes und bevorzugt (z.b. gebrochenes Glühbirne) Licht ist sinα sinα linear (teilweise) polarisiert: polarisiert Licht Polarisationsfilter: n = = = tanα sin β sin(90 α) schwingt in definierter Polarisator Ebene zirkular (elliptisch) polarisiert: Licht schwingt schraubenförmig Erzeugung/Nachweis: Der Polfilter absorbiert Licht einer linear Polarisationsrichtung, die polarisiertes andere geht durch Licht unpolarisiertes Licht

4 Polarisation des Lichtes Erzeugung/Nachweis: Der Polfilter absorbiert Licht einer Polarisationsrichtung, die andere geht durch (Dichroismus) Reflektiertes und gebrochenes Licht ist (teilweise) polarisiert Gestreutes Licht ist teilweise polarisiert; Beispiel: Luft in der Atmosphäre streut das Sonnenlicht (darum ist der Himmel nicht schwarz). Dieses ist polarisiert, was den Bienen zur Orientierung dient. unpolarisiertes linear polarisiertes Licht Licht

5 Polarisation des Lichtes Erzeugung/Nachweis: Der Polfilter absorbiert Licht einer Polarisationsrichtung, die andere geht durch (Dichroismus) Reflektiertes und gebrochenes Licht ist (teilweise) polarisiert Gestreutes Licht ist teilweise polarisiert; Beispiel: Luft in der Atmosphäre streut das Sonnenlicht (darum ist der Himmel nicht schwarz). Dieses ist polarisiert, was den Bienen zur Orientierung dient. Nicolsche Prisma 100% linear polarisiertes Licht Doppelbrechung: Verschiedene Polarisationsrichtungen haben unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit unterschiedliche Brechzahlen. Beim Nicolschen Prisma wird dieser Effekt genutzt um polarisiertes Licht zu erzeugen.

6 Polarimetrie: Messung der Polarisationsrichtung. Z.B. Probe zwischen gekreuzte Polfilter. Es wird hell? Manche Materialen verändern die Polarisationsrichtung. Optische Aktivität: Einige Stoffe drehen die Polarisationsrichtung des Lichts Drehwinkel α hängt ab von: Länge l der Probe Konzentration c Temperatur Typ des Lösungsmittels Wellenlänge (Rotationsdispersion) α = α [ ] l c D Polarimetrie Spezifische Drehvermögen unpolarisiertes Licht Probe linear polarisiertes Licht 2. Polarisationsfilter: Analysator Beobachter

7 Polarimetrie Anwendung: Bestimmung der Konzentration einer Zuckerlösung (rechts- bzw. linksdrehender Zucker) Genauere Messung durch Halbschattenmethode : obere Hälfte durchläuft Plättchen mit definierter Drehung. Dann wird Analysator so eingestellt dass oben und unten gleiche Helligkeit ist.

8 Geistesgegenwärtig hatte Gott damals vom Urknall ein Photo geschossen welches er immer noch recht eindrucksvoll fand.

9 Der Urknall und danach Standardmodell der Teilchenphysik: Alles in dieser Welt ist aus punktförmigen fundamentalen Bausteinen aufgebaut: Quarks & Elektronen (bzw. Leptonen) Quarks klumpen zusammen und bilden Protonen & Neutronen Protonen + Neutronen = Atomkern Kern + Elektronenhülle = Atom Atom + Atom = Molekül Moleküle bilden Gase, Flüssigkeiten, Festkörper Also: quantenmechanische Legosteinphysik Gyr = heute 1 Gyr 300 kyr 3 min 1 msec Zeit Hunde, Katzen etc. Moleküle Atome Atomkerne Protonen, Neutronen Quarks, Elektronen Urknall 22

10 Atomphysik Materie besteht aus Atomen = ατοµοσ = unteilbare Bausteine Atome sind teilbar. Sie bestehen bestehen aus einem kleinen kompakten Kern und einer Hülle aus Elektronen Die Elektronen der äußeren Hülle definieren die chemischen Eigenschaften Streuversuche erlauben die Atome Untersuchung von Atomen sowie ihrer Bestandteile und Wechselwirkungen Atome haben einen Durchmesser von etwa 1 Angström = m Atomkerne haben eine Größe von etwa 1 Fermi = m Protonen Atome sind im wesentlichen leer! 99.9% der Masse befindet sich im Kern! Das leichteste Atom (H) wiegt 1g/N A =1.6 * g Streuexperimente Atome

11 Das Atom Bohrsche Atommodell: Fast die ganze Masse des Atoms ist im Kern konzentriert Der Kern enthält Z positiv geladene Protonen Ein neutrales Atom enthält Z Elektronen, die den Kern wie in einem Planetensystem umkreisen Nur bestimmte Bahnen sind erlaubt. (Schalen) Jeder Bahn entspricht ein bestimmter Energiezustand. Springt ein Elektron von äußeren Bahn zu einer inneren Bahn so gibt es diese Energie als el.-magn. Strahlung ab. Z = Ordnungszahl im Periodensystem Absorbiert es genau diese Energie, so springt es auf die entsprechend passende äußere Bahn Es gilt W = h f h = Plancksches Wirkungsquantum = 6.626*10-34 Js Elektronenbahn f = Frequenz der absorbierten bzw. abgestrahlten Welle W= Energieunterschied der Bahnen

12 Das Atom Bohrsche Atommodell: Quantenmechanische Atommodelle: Wir wissen heute, dass die Elektronen nicht auf einfachen Bahnen fliegen. Die Quantenmechanik beschreibt das Atom durch Wolken mit bestimmten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für Elektronen. Es gilt trotzdem die einfache Formel W = h f Elektronenwolke Elektronenbahn

13 Ein bestimmtes Elektron hält sich an bestimmten Orten in der Umgebung des Kerns mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf Elektronenwolken

14 Woher wissen wir das? Das Atom Franck-Hertz Versuch: Die Energie eines Elektronenstrahls wird langsam hochgefahren Bei gewissen Schwellenenergien sinkt der Strom ab Interpretation: Abnahme immer dann wenn die Energie ausreicht um Hüllenelektronen aus ihren Schalen zu werfen. Also sind die Energiezustände im Atom quantisiert

15 Das Atom Woher wissen wir das? Die Spektrallinien der Atome: Anregung z.b. durch Gasentladung (Elektronen werden auf höherliegende Bahn gestoßen) Herunterfallen erzeugt für das Atom charakteristische Lichtfrequenzen: die Spektrallinien. Es gilt Für Wasserstoff gilt: W = h Energie der n-ten Bahn W n = const f 1 2 n n =1,2,... Also: h f 1 1 = const 2 2 n m Elektronen fallen vom angeregten Zustand zum Grundzustand hinunter

16 Absorption Re-Emission

17 Für Wasserstoff gilt: Das Atom Energie der n-ten Bahn n 1 = const 2 n W n =1,2,... Anschauliche Erklärung für die Quantisierung der erlaubten Bahnen: Elektronen verhalten sich wie Wellen: λ = h / p Elektronen bilden stehende Wellen beim Umlaufen des Atoms Umfang und Wellenlänge müssen ein ganzzahliges Verhältnis bilden

18 Periodensystem Sortieren der Elemente nach der Ordnungszahl Z = Kernladungszahl = Anzahl der Protonen im Kern = Anzahl der Elektronen in der Hülle Die chemischen Eigenschaften wiederholen sich in Perioden der Länge 2 1, 2 2, 2 3, 2 4,... Die Periodenlängen werden in der Quantenphysik erklärt. Dazu werden sogenannte Quantenzahlen eingeführt