3 Licht als elektromagnetische Welle

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1 3 Licht als elektromagnetische Welle Die bisherige eschreibung des Lichtes als Welle entspricht etwa dem historischen Stand der Wellentheorie des Lichts bevor Maxwell (James lerk Maxwell, ) und Hertz (Heinrich Hertz, ) erkannten, daß das Licht völlig analoge Eigenschaften aufweist wie die von einem elektrischen Dipol abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. 3.1 Wellen-Exkurs 2: Einige Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Aus de alltäglichen Leben ist bekannt, daß die Signale, die durch Radio oder Fernsehen "ins Haus kommen", mit Antennen unterschiedlicher Größe empfangen und im Empfangsgerät (Radio, TV) in Ton- und ildsignale umgewandelt werden. Wie dies im einzelnen geschieht, ist augenblicklich nicht von Interesse. Entscheidend ist jedoch, daß die Signale in Form von elektromagnetischen Wellen von einer Sendeantenne (am Sender) abgestrahlt und von der Empfangsantenne wieder aufgefangen werden. Diese Antennen sind Metallstäbe oder Drähte, die von einem hin und her schwingenden elektrischen Ladungsstrom mit einer Frequenz von ca. einer Million Hertz durchflossen werden. Dabei strahlt die Sendeantenne elektromagnetische Wellen aus. Diese elektromagnetischen Wellen bestehen aus einem magnetischen Feld und einem elektrischen Feld (, die sich zeitlich sehr schnell verändern, nämlich mit der jeweiligen Frequenz des Senders. Sowohl das magnetisch Feld, als auch das elektrische Feld sind physikalische Größen, die von der Richtung abhängen, d.h. neben dem etrag dieser Größen spielt auch noch ihre Richtung eine wesentliche Rolle. Man bezeichnet sie daher als vektorielle physikalische Größen. 1) In Fig_3.1.1 sind die Magnetfeldlinien des Erdfeldes geographischer Nordpol magnetischer Südpol geographischer Südpol magnetischer Nordpol Fig_3.1.1 Magnetfeld der Erde ( λ dargestellt. Als eispiel sind für zwei Punkte im Raum die Feldstärkevektoren eingezeichnet. Wird jedem Punkt im Raum ein Wert und eine Richtung zugeordnet, so nennt man ein solches Feld ein "Vekorfeld". Das magnetische Feld der Erde ist ein sog. "statisches Feld", da die Magnetfeldstärke praktisch nicht von der Zeit abhängt. 2) Die magnetische und elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes sind dagegen von der Zeit t abhängig. Die Zeitabhängigkeit ist periodisch, so daß das elektromagnetische Feld im Raum zu jedem Zeitpunkt eine periodische Struktur aufweist. In Abb_3.1.2 ist eine ebene elektromagnetische Welle zu einem festen Zeitpunkt und ihre Ausbreitungsrichtung skizziert. Für die elektrische und magnetische Komponente gilt : ( = ( sin( ωt kx) und = sin ( ω t kx) beide sind gleichphasig x Zwischen den eträgen von ( und besteht folgender Zusammenhang : ( = c (3.1.1a) Fig_3.1.2 Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist, mit der sich elektromagnetische Wellen im Vakuum 1) Größen, die nicht von der Richtung abhängen, nennt man skalare physikalische Größen. 'Eine skalare Größe ist z.. die Energie. 2) Nur in geologischen Zeiträumen ändert sich die Stärke des magnetischen Erdfeldes

2 ausbreiten. Die eziehung (3.1.1) folgt aus der von Maxwell abgeleiteten eziehung für die Eigenschaften elektromagnetischer Felder. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum ergibt sich darüber hinaus die folgende eziehung : 1 c = (3.1.1a) wobei ε ε und µ die elektrische bzw. magnetische µ Feldkonstante darstellen : As 12 ε = 8854, 1 und µ = 4 π 1 Vm 7 Vs Am : beides sind physikalische Konstanten. Wie schon bei der Lichtbrechung erwähnt wurde, breiten sich Lichtwellen in Materie mit einer Geschwindigkeit c aus, die kleiner ist als c die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum. Diese Aussage gilt ganz allgemein für alle elektromagnetische Wellen. Dabei erhält man für die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Materie : 1 Im Vakuum sind die Dielektrizitätszahl ε r und die c = (3.1.1b) εr ε µ r µ ε = µ = 1 Permeabilitätszahl µ r : ( ) ( ) und ( ε ) = ( µ ) 1 r Luft r Luft r Vakuum r Vakuum Dabei ist gilt für die Geschwindigkeiten elektromagnetischer Wellen im Vakuum und in 2 Materie: c 2 = n, wobei n die rechzahl ist. c Was passiert, wenn elektromagnetische Strahlung Materie durchdringt? Die Atome und/oder Moleküle, aus denen die Materie zusammengesetzt ist, enthalten schwingungsfähige Elektronen. Dringt nun elektromagnetische Strahlung durch Materie, so werden diese Elektronen teilweise zu sog. "erzwungenen Schwingungen" angeregt. Die dabei aufgenommene Energie wird als elektromagnetische Strahlung im allgemeinen sofort wieder abgestrahlt. Der genaue Vorgang dieses Phänomens interessiert augenblicklich nicht so sehr und wird in einem späteren Abschnitt nochmals erläutert werden. Wesentlich ist im Moment nur, zur Kenntnis zu nehmen, daß solche Prozesse existieren und auch physikalische gut beschrieben werden können. Eine Folge dieses Prozesses ist die Frequenzabhängigkeit der rechzahlen (Dispersion). Neben der rechzahl n ist aber auch die Dielektriziätskonstante ε r von der Frequenz abhängig. ei nahezu allen lichtdurchlässigen Stoffen ist auf der anderen Seite die Permeabilitätszahl praktisch unabhängig von der Frequenz, d.h. µ r 1. Man erhält daher aus Gl.(3.1.1b) 3) 2 : n = εr Worauf es an dieser Stelle ankommt, ist sich klar zu machen, daß Eigenschaften wie beispielsweise die Lichtbrechung auch mit elektromagnetischen Wellen andere Frequenzen (z.., Mikrowellen, deren Frequenz liegt im GigaHertzereich) beobachtet werden können. Mit anderen Worten, die physikalischen Eigenschaften, die man allgemein mit elektromagnetischen Wellen beobachten kann, entsprechen völlig den Eigenschaften, die man auch mit Licht beobachten kann. Dies wurde letztendlich von Hertz, angeregt durch die theoretischen Überlegungen von Maxwell, experimentell aufgezeigt. In der Fig_3.1.3 ist der Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung dargestellt. Man beachte den vergleichsweise schmalen ereich des Spektrums, des für den Menschen sichtbaren Lichts. 3) eide, die rechzahl und die Dielektrizitätszahl hängen von der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ab. Der Wert ε r ( Wasser) = 8 bezieht sich statische elektrische Felder und vergleichsweise niederfrequente elektrische Felder, dabei ist ε r = Kapazität eines Kondensators mit Dielektrikum Kapazität eines Kondensators ohne Dielektrikum

3 1-15 m=1fm 1-12 m=1pm 1-9 m=1nm 1-6 m=1µm 1-3 m=1mm 1 m=1m 1 +3 m=1km 1 +6 m=1mm Radiowellen Wellenlänge, λ Röntgen Mikro- Wellen UKW KW MW LW γ - Strahlen UV - Strahlen IR - Strahlen sichtbarer ereich (Mensch) 1 21 Htz 1 18 Htz 1 15 Htz 1 12 Htz 1 9 Htz 1 6 Htz 1 3 Htz Frequenz, f Fig_3.1.3 : Spektralbereich elektromagnetischer Wellen mit c = λ f 3.2 Das Michelson_Experiment und die Messung der Lichtgeschwindigkeit ei der In Fig_3.1.2 dargestellten Welle handelt es sich um eine sog. Transversalwelle. Dies sind Wellen, bei denen die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung steht. m Gegensatz dazu ist die Schwingungsrichtung bei einer sog. Longitudinalwelle parallel, d.h. in Richtung der Ausbreitung gerichtet. Alle Materiewellen in Gasen und Flüssigkeiten sind longitudinale Wellen. Transversale Materiewellen gibt es nur in elastischen Festkörpern (eispiel: Wellenausbreitung auf einem elastischen Seil). In der Einleitung zur ptik (Abschnitt_1) wurde bereits auf die Schwierigkeiten, die durch das WellenModell für das Licht auftraten, hingewiesen. Huygens postulierte mit dem WellenModell den sog. "Lichtäther" als Trägermedium für die Lichtwellen. Als man erkannte, daß Licht im Wellen- Modell als eine Transversalwelle beschreiben werden muß, stand dies im Widerspruch zur Theorie des Lichtäthers. Das bekannteste Experiment zum Problem des Lichtäthers stammt von Michelson (Albert Abraham Michelson, ); Nobelpreis 196), der das in Abschnitt_2.3.2 beschriebene Interferometer entwickelte, um damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes relativ zu einem bewegten ezug- S 1 P Q l S 2 ( a ) Q A v ( b ) Fig_3.2.1: Michelson_Versuch (a) und Doppler-Effekt (b) von Schallwellen a) S1, S2 Spiegel halbdurchlässiger Spiegel P Platte wie jedoch unversilbert um Weglänge im Vergleich S2 zu korrigieren Q Lichtquelle b) Q Schallquelle A,, Punkte auf der Versuchsplattform, an denen Detektoren aufgestellt sind.

4 system messen zu können. In Fig_3.2.1a ist die Versuchsanordnung dargestellt und in Fig_3.2.1b eine entsprechende Anordnung zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall, für dessen Ausbreitung ein Trägermedium notwendig ist. etrachtet man zunächst die Situation in Fig_3.2.1b bei der sich eine Versuchsplattform mit einer Geschwindigkeit v relativ zur ruhenden Luft bewegen soll. In Fig_3.2.2 ist eine Schallwelle Lautsprecher Membran (Longitudinalwelle) skizziert. Schall kann sich, wie schon erwähnt nur in Materie ausbreiten oder anders ausgedrückt, Longitudinalwellen kommen nur in Materie vor. Die Schallgeschwindigkeit kann an den rten A,, (Siehe Abb_3.2.2) gemessen werden. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit bei fahrender Plattform, die in Richtung Q gemessen wird, gleich derjenigen, die in Richtung AQ und Q gemessen wird, wenn die Plattform ruht. Für die Schallgeschwindigkeit in Richtung AQ bzw. Q beobachtet man den sog. Doppler-Effekt. Doppler-Effekt für Schallwellen : Es sei λ = T c mit : c - Schallgeschwindigkeit und T - Schwinungsdauer der Schallwelle In der Zeit n T passiert ein Wellenzug mit n Wellen beim ruhenden eobachter, d.h. n λ = n T c a) Nun soll sich der eobachter auf die Schallquelle zu bzw. von ihr weg bewegen : Die Geschwindigkeit des eobachters sei v, dann braucht die Welle die Zeit T, um den eobachter zu passieren und in der Zeit nt passiert ein Wellenzug mit n Wellen, d.h. n λ = n T c ± v ( ) mit λ = c / f folgt für die vom eobachter wahrgenommene Schallfrequenz : c = 1 ( c ± v ) bzw. f = f ( 1 ± v ) 3.2.1a f f c b) Der eobachter soll nun ruhen und die Schallquelle soll sich mit der Geschwindigkeit v auf ihn oder von ihm weg bewegen. Dieser Wellenzug habe sich um nλ von der Quelle weg bewegt. In dieser Zeit nt bewegt sich die Quelle um n T f, so daß der Wellenzug um nλ # n T v zusammendrängt (-) oder auseinandergezogen (+) ist, d.h. f nλ # n T v = n T c bzw. f = 3.2.1b 1 # ( v / c) Minuszeichen : Die Quelle bewegt sich zum ruhenden eobachter hin Pluszeichen : Die Quelle bewegt sich vom ruhenden eobachter weg. Luftdruck Überdruck Normaldruck Unterdruck Fig_3.2.2 : Für die Ausbreitung von Schallwellen ist ein Medium erforderlich. Die Abbildung zeigt symbolisch eine Momentaufnahme einer longitudinalen Welle und deren Darstellung als Sinus- oder osinus-funktion Was beobachtet man im Experiment der Abb_3.2.1a mit Licht? Zunächst ist klar, daß beim Drehen der Versuchsanordnung um 9 der Doppler-Effekt wiederum in Fahrtrichtung, also auf der Strecke Q beobachtet werden würde und senkrecht dazu nicht. Dieser Gedankengang liegt dem Experiment von Michelson zugrunde, bei dem man Änderungen zwischen den Abständen der Interferenzstreifen bei einer nach einer Drehung der Meßanordnung um 9 beobachten sollte, falls es ein Medium geben würde, welches zur Lichtausbreitung notwendig wäre. Die Versuchsplattform im Michelson- Experiment ist die Erde, die sich relativ zu diesem Medium "Lichtäther" bewegt. Man findet stets gleiche Laufzeiten für das Licht auf den Wegen QS1, und QS2.

5 Resultat : Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes c ist unabhängig von der Ausbreitungsrichtung auch gegenüber gleichförmig zueinander bewegten ezugssysteme. Es gibt kein Medium (Lichtäther), welches die Lichtausbreitung vermittelt. Dieses Ergebnis, das verschiedentlich wiederholt wurde, führte zu zwei von Einstein (Albert Einstein, ; Nobelpreis 1921) formulierten Postulaten, die zur Ausgangsbasis der von ihm entwickelten (speziellen und allgemeinen) Relativitätstheorie wurden : Das Relativitätsprinzip: Zwei eobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen, stellen dieselben physikalischen Gesetze fest. Die Grundgesetze der Physik besitzen in allen Inertialsystemen dieselbe Form. 4) Konstanz der Lichtgeschwindigkeit : Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c elektromagnetischer Wellen im Vakuum ist für alle eobachter eine absolute Konstante. Sie ist von der Geschwindigkeit der Quelle und der des eobachters relativ zueinander unabhängig. Messung der Lichtgeschwindigkeit : Für die Messung der Lichtgeschwindigkeit c gibt es verschiedene Möglichkeiten, die hier nicht diskutiert werden sollen. Grundsätzlich läßt sich die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen messen, die von einem elektrischen Schwingkreis über eine Antenne abgestrahlt werden. Aus der bekannten Frequenz des elektrischen Schwingkreises ergibt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft ( c c Luft ). Die auf diese Weise bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen stimmt mit derjenigen überein, die man für das Licht auch direkt messen kann. Elektromagnetische Wellen (und eben auch das Licht) breiten sich mit der Geschwindigkeit 8 c = ±, 1 1 m / s aus: ( ) ) Methode von Römer und Fizeau zur Messung der Lichtgeschwindigkeit (Ergänzung) 3.3 Polarisation, Doppelbrechung und "optische Aktivität" ei einer elektromagnetischen Welle, die sich im Vakuum ausbreitet, stehen zu jeder Zeit t und an jedem rt r die elektrische Feldstärke ( und die magnetische Feldstärke senkrecht aufeinander und beide stehen wiederum senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (siehe Fig_3.1.2). leibt die Richtung von ( und an allen rten r und zu allen Zeiten gleich, so nennt man eine solche Welle polarisiert. D.h. bei unpolarisierten elektromagnetischen Wellen schwingt ( und damit natürlich auch nach allen Richtungen (siehe Fig_3.3.1). In Fig_3.1.2 ist eine polarisierte (genauer: eine linear polarisierte 5) ) Welle dargestellt und in Fig_3.3.1 ist die Schwingugnsrichtung des ( -Feldes abgebildet, die gleichzeitig die Richtung der Polarisationsebene festlegt. Da sich PolarisationsEigenschaften nur bei Transversalwellen beobachten lassen (Schallwellen sind nicht polarisierbar!), bildet das Phänomen "Polarisation 4) ( ( ( a ) ( b ) linear unpolarisiert polarisiert Fig_3.3.1 : Schwingugnsrichtung des ( -Vektors von Licht Ausbreitungs-Richtung in _a) und _b) jeweils senkrecht zur Zeichenebene Inertialsystem : Dieser egriff bezieht sich auf bewegt Systeme, die sich zueinander "geradlinig und gleichförmig" bewegen. 5) Man unterscheidet linear polarisierte Licht. Daneben gibt es auch zirkular und elliptisch polarisiertes Licht. Im folgenden werden nur die Eigenschaften von linear polarisiertem Licht diskutiert

6 von Licht" wiederum einen Mosaikstein zum Verständnis des physikalischen Modells "Licht als elektromagnetische Welle". Selbstverständlich lassen sich Polarisationserscheinungen wiederum bei allen elektromagnetischen Wellen beobachten, also auch in den Frequenzbereichen, die dem menschlichen Auge nicht unmittelbar zugänglich sind. eispiele dafür sind Polarisation von Seilwellen oder von Mikrowellen, etc. Da Licht im Modell elektromagnetischer Wellen beschrieben werden kann, sollt man erwarten, daß umgekehrt elektromagnetische Wellen, die mit Hilfe eines elektrischen Schwingkreises erzeugt wurden, Erscheinungen zeigen, die typischerweise vom Licht her bekannt sind, wie Reflexion, rechung oder eugung am Spalt, etc. All diese Erscheinungen lassen sich in der Tat generell mit elektromagnetischen Wellen ebenfalls beobachten. Polarisaton durch Reflexion Ein Lichtbündel, das schräg auf einen transparenten Stoff trifft, hat nach der Reflexion eine deutlich bevorzugte Polarisationsrichtung und zwar steht ( senkrecht zur Einfallsebene (sieh Fig_3.3.2). eträgt der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl gerade 9 und dies ist für einen ganz bestimmten Wert des Einfallwinkels der in Fig_3.3.2 mit α gekennzeichnet wurde, der Fall, so ist das reflektierte Licht vollständig polarisiert. Erklärung: eim Durchgang von Licht durch Materie werden Elektronen der Atome oder Moleküle, aus denen der Stoff aufgebaut ist, zu erzwungenen Schwingungen angeregt. Diese Elektronen schwingen senkrecht zur Richtung des gebrochenen Strahls, denn ein elektrischer Dipol strahlt nichts in Richtung seiner eigenen Schwingung ab. Da dies auch im atomistischen ild gilt, tragen diejenigen Elektronen nichts zur Intensität der reflektierten Strahlen bei, die in der Richtung der Einfallsebene schwingen (sie schwingen in Richtung des reflektierten Strahls!). Dagegen tragen diejenigen Elektronen bei, die senkrecht zur Einfallsebene bei. Für den in der Fig_3.3.2 gezeigten Fall der vollständigen Polarisation gilt : sin α sin α = n = = tan α (3.3.1) sin β sin( 9 α ) Der Winkel α wird auch als rewster-winkel bezeichnet (nach D.rewster, ), der diese Gesetzmäßigkeit als erster erkannte Polarisation durch Doppelbrechung : Das rechungsgesetz (1.5) gilt nur für optisch isotrope Stoffe. In Abschnitt_1.1.5 wurde bereits auf die Doppelbrechung in optisch anisotropen Stoffen wie Kalkspat (a3) hingewiesen. Nur der sog. ordentliche Strahl läßt sich mit dem rechungsgesetz (1.5) A o. Strahl D beschreiben, während der sog. außerordentliche Strahl damit nicht beschreiben 6 werden kann. Wesentlich dabei ist die Tatsache, daß sowohl der ordentliche Strahl als a.o. Strahl auch der a.o.strahl linear polarisiert sind und die Schwingungsrichtung des ( -Vektors beider Strahlen zueinander senkrecht stehen. Auf die Ursachen dieses Phänomens Fig_3.3.3 : Nicol-Prisma zur Erzeugung von polarisiertem Licht soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden. Sie sind einmal in der periodischen Prismenmaterial Der Winkel von 6 bezieht sich auf Kalkspat als Struktur der Kristalle und der zu erzwunn α ( - Vektor senkrecht zur Zeichenebene 9 Fig_3.3.2: Polarisation durch Reflexion

7 genen Schwingungen angeregten Elektronen der atomaren austeine solcher Kristalle zu suchen. Eine notwendige Voraussetzung für das Auftreten der Doppelbrechung ist jedoch die räumlich periodische Struktur des transparenten Materiestücks. Um polarisiertes Licht mit Hilfe eines doppelbrechenden Kristalls, wie etwa Kalkspat zu erzeugen, wir eine der beiden Strahlen durch einen einfachen Trick herausgefiltert (siehe Fig_3.3.3). Der Kitt (häufig Kanadabalsam) zwischen den beiden Kristallstücken besitzt eine kleinere rechzahl als der Kristall. Das Kristallstück AD ist so geschnitten, daß einer der beiden Strahlen an der Grenzfläche D zwischen Kristall und Kleber total reflektiert wird. Da die Fläche AD meist schwarz gefärbt ist, wird er dort absorbiert. eispiel : Lichtintensität (Amplitude von ( ) 2 Allgemein gilt, daß die Intensität elektromagnetischer Wellen dem Quadrat der Amplitude proportional ist. Dies kann man mit polarisiertem Licht sehr einfach überprüfen. Dreht man den Analysator um den Winkel θ, so läßt dieser nur die Komponente ( = ( p cos θ, die parallel zu A (Schwinungsrichtung PLARISATR ANALYSATR des Analysators) θ durch. Für die Winkelabhängigkeit der Intensität findet Intensität, I man : ( 2 P p I = I cos θ wenn I die Intensität Intensität, I P für q= ist, bei dem ( p die ( _ _ = ( p sin θ Schwingungsrichtung ( von Polarisator und = ( p cos θ ( _ _ θ ( Analysator parallel sind. Mit anderen Fig_3.3.4 : Winkelabhängigkeit der Intensität Worten, die Intensität ist proportional zum Quadrat der Amplitude, d.h. für den vorliegenden Fall 6) : ( ) Intensität, I ~ ( 2 Die in Fig_3.3.4 gezeichnete Komponente (_ _ = ( sin θ wird vom Analysator absorbiert, d.h. nicht durchgelassen. Polaristation durch Dichroismus Eine relativ einfache Methode polarisiertes Licht zu erhalten, ist die Verwendung sog. Polaroid-Filter. Diese bestehen in aller Regel aus langkettigen Makromolekülen (z.. Polyvinylalkohole), bei denen die kettenförmigen Makromoleküle vorwiegend parallel ausgerichtet (durch Strecken der Plastikfolien in eine Vorzugsrichtung) sind. Transmission, T ( ( _ _ Solche Folien wirken als Polarisationsfilter, da der ( -Vektor, der parallel zur Molekülachse schwingt, absorbiert und derjenige, der senkrecht dazu schwingt, Wellenlänge, λ Fig_3.3.5 : Absorptionsspektrum eines dichroitischen Stoffes. durchgelassen wird. Diese bevorzugte Absorption von polarisiertem Licht bezeichnet man als "Dichroismus" und Stoffe mit solche optischen Eigenschaften als dichroitisch. In Fig_3.3.5 ist ein Absorptionsspektrum eines dichroitischen Stoffes aufgezeichnet. Der 6) Die Intensität ist generell gegeben durch: Intensität Energiestrom = (siehe Mechanik) Fläche

8 schraffierte ereich gibt den Wellenlängenbereich an, für den dieser Stoff als Polarisationsfilter benützt werden kann. Die Transmission ist wie folgt gegeben : austretende Intensität T = einfallende Intensität Polarisation durch Streuung An kolloidalen oder makromolekularen Suspensionen wird das Licht besonders stark gestreut. Zur Demonstration des sog. Tyndall- Effekts wird unpolarisiertes Licht in eine Küvette (in y-richtung) geleitet. Die Küvettte enthält eine Suspension. Senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl wird das Streulicht (in x- Richtung) mit einem Polarisationsfilter analysiert. Das gestreute Licht ist linear polarisiert. eim Durchgang des Lichts durch die Probe nimmt die Lichtintensität in y-richtung durch Absorption und Streuung ab. Der durch die Streuung verursachte Anteil hängt von der Größe der suspendierten Partikel ab. Man kann aus solchen Streuexperimenten direkt die Größe solcher Partikel (Streuzentren) messen. Darüber hinaus hängt die Intensität des Streulichts sehr stark von der Frequenz des Lichtes ab. Man findet experimentell folgende Abhängigkeit : Diese Abhängigkeit der StreuIntensität von der vierten Potenz der Frequenz des Lichtes ist die Ursache dafür, daß der Himmel blau erscheint, denn die höherfrequenten Anteile des Lichts werden stärker gestreut als die niederfrequenten Anteile. In der Fig_3.3.7 ist dies schematisch veranschaulicht. Damit die Streuung des Sonnenlichts stattfinden kann, ist die Existenz einer Atmosphäre notwendig! Als Streuzentren wirken hauptsächlich Wassertröpfchen, polarisierendes Filter Staubteilchen und dergl. ohne Atmosphäre wäre der Himmel schwarz, wie dies für die Raumfahrer der Fall ist. Das Abendrot (oder Morgenrot) läßt sich ebenfalls durch die Frequenzabhängigkeit der Streuintensität rationalisieren, denn wenn die Sonne tief am Horizont steht, blickt man direkt in die Sonne (entlang der x-achse). Wiederum wird das blaue Licht stärker gestreut, aber diesmal vom etrachter weg und es erscheint rot (eachte: morgens und abends steht die sonne tief). Dieser Effekt ist in Industriegebieten durch die dort existierende Atmosphäre besonders gut ausgeprägt, wie dies im Ruhrgebiet leicht zu überprüfen ist. Das gestreute Sonnenlicht (Himmelblau) ist mehr oder weniger stark polarisiert, und zwar ist der Polarisationsgrad in Richtung senkrecht der Sonnenstrahlen am größten. Die ienen nützen dieses Phänomen zur geographischen rientierung aus. hell dunkel Fig_3.3.6 : Zum Tyndall-Effekt IntensitätdesStreulichts, I ~ f 4 (3.3.2) gestreut Sonnenlicht x gestreutes roteslicht Erde x z y Atmosphäre gestreutes blaues Licht Fig_3.3.7 : lauer Himmel. und Abend- bzw. Morgenrot ptische Aktivität Strahlt man mit linear polarisiertem Licht durch eine Küvette, die beispielsweise eine Zuckerlösung enthält, so beobachtet man, daß die Polarisationsrichtung mehr oder weniger stark gedreht wird. Der Drehwinkel θ um den die Polarisator L PRE mit opt.aktivem Stoff Fig_3.3.8 : Messung der optischen Aktivität θ Analysator

9 Polarisationsrichtung gedreht wird, hängt von der Länge L der Küvette, der Konzentration n und einer für den Stoff charakteristischen Konstanten θ ab, d.h. θ = θ n L Alle organischen Moleküle mit einem sog. "asymmetrischen" -Atom sind optisch aktiv. Wie man der Abb_3.3.9 entnehmen kann, verhalten sich die beiden möglichen Konfigurationen eines Moleküls mit asymmetrischem -Atom wie ild und Spiegelbild zueinander. Nimmt man eine Mischung aus beiden Konfigurationen im Verhältnis 1 : 1 (Racemat), dann beobachtet man selbstverständlich keine Drehung der Polarisationsebene mehr. Anwendung : estimmung des Gehalts an Zucker im Harn oder anderswo. Mit Hilfe sog. Polarometer läßt sich aus der obigen Gleichung die Konzentration optisch aktiver Moleküle bestimmen. Da biologische Makromoleküle aus optisch aktiven Molekülen aufgebaut sind (Aminosäuren, Zucker, etc.) lassen sich solche optischen Phänomene zur Strukturaufklärung von makromolekularen Systemen verwenden. Durch Verspannen können auch nicht-kristalline Stoffe wie Glas, Plexiglas und drgl. doppelbrechend werden. Aus der Stärke der Doppelbrechung läßt sich die räumliche Verteilung solcher mechanischer Spannungen bestimmen. eispielsweise sind Windschutzscheiben in Automobilen immer unter einer gezielt eingebrachten mechanischen Verspannung. Man kann dies mit Polaroid-Sonnenbrillen regelrecht sehen. HN R L-Aminosäure H Spiegelebene H H R H D-Aminosäure Fig_3.3.9 : Asymmetrisches -Atom HN

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