Optik I Strahlen und Wellen

Transkript

1 Physik A VL37 (..3) Sahlen und Wellen Lich als elekomagneische Welle Sahlenopik/Wellenopik Welle-Teilchen-Dualismus De sahlende Dipol Elemenae Eigenschafen elekomagneische Wellen Bescheibung elekomagneische Wellen Dopple-Effek elekomagneische Wellen Einfluss von Soffen auf die Wellenausbeiung Absopion Seuung

2 Lich als elekomagneische Welle Sahlenopik/Wellenopik Welle-Teilchen-Dualismus Sahlenopik und Fabwahnehmung - Bechung, Spiegelung - opische Geäe - Linsen, Mikoskop, Teleskop, Auge - Fabe und Lich - subjekive Lichwahnehmung des Auges, Fabheoie Wellenopik is Lich Welle ode Teilchen? - Inefeenz, Beugung, Polaisaion - opische Geäe - Inefeomee, Polaimee, Lase -Welle-Teilchen-Dualismus Schwazköpe- Sahlung, Phooeffek Welle-Teilchen Dualismus Fabdeieck Inefeenz

3 Lich als elekomagneische Welle De sahlende Dipol Die Dipolsahlung is eine Ensehung in einem Schwingkeis elekisches und magneisches Feld ezeugen sich gegenseiig Die Sahlung pflanz sich im Raum fo elekomagneische Welle expeimenelle Nachweis: Heinich Hez (Univesiä Kalsuhe) Ausgangspunk: Schwingkeise Ausbeiung elecische Kaf : dahlose Übeagung von Radiowellen übe 5 m Ziel: dahlose Infomaionsübeagung 3

4 Lich als elekomagneische Welle De sahlende Dipol Funkeninduko als Quelle elekomagneische Sahlung Duch eine hohe Spannung (Tansfomao!) wid ein enspechend hohes E-Feld aufgebau. Schläg de Funken übe, bich innehalb von Nanosekunden das Feld zusammen. Ladungen weden sak beschleunig und sahlen! Heinich ich Hez ( ) Expeimenelle Aufbauen von Heinich Hez Heue wid de pimiive Funken duch akive Bauelemene (Röhen und Tansisoen) esez. heuige Name dahlose Infomaionsübeagung: Funk 4

5 Lich als elekomagneische Welle Elemenae Eigenschafen elekomagneische Wellen elekisches und magneisches Feld sehen senkech aufeinande E z B beide Felde sind senkech zu Ausbeiungsichung oienie k ansvesale Welle (Bsp: Wassewellen) Poyning-Veko S μ E B x B E B k, E k elekisches und magneisches Feld schwingen jeweils nu in eine Ebene Die Welle is (linea) polaisie λ y elekisches und magneisches Feld schwingen in Phase 5

6 Lich als elekomagneische Welle Elemenae Eigenschafen elekomagneische Wellen Bescheibung eine Welle: eindimensionale Welle in Raum und Zei A( x, ) A sin( kx ω) Veallgemeineung: Komplexe Scheibweise - Einneung: ( VL33) ϕ e i mi exp( i ϕ) cos ϕ + i sinϕϕ z Re( z) + Im( z) (cos ϕ + i sinϕ) z e i ϕ Wellenzahl Wellenlänge Fequenz Keisfequenz Peiodendaue T π πν ω k λ c c c λ ν ν T ω π T A( x, ) A exp( i ( k x ω)) komplexe Ampliude: A exp( i k x) Zeiabhängigkei: i exp( i ω) ) 6

7 Lich als elekomagneische Welle Elemenae Eigenschafen elekomagneische Wellen Wie beie sich eine Welle aus? geadlinig, g, keisfömig ode kugelfömig g die Ausbeiungsichung de Welle is duch den Wellen-Veko k gegeben, e seh senkech auf den Wellenfonen: A(, ) A exp( i ( k ω)) A (, ) A sin( i( k ω ) eine ebene Welle ha die Fom eine Kugelwelle ha die Fom y kx kx k k y k z die Welle is beie sich geadlinig aus x k k x k y k k z die Welle beie sich adial nach außen aus x + y + z 7

8 Lich als elekomagneische Welle Bescheibung elekomagneische Wellen Bescheibung de Welle duch Oszillaion des E- ode des B-Feldes A(, ) A exp( i ( k ω)) Allgemeine Fom mi Ampliude A Magneische Flußdiche B : B(, ) B exp( i ( k ω )) ( B k aus Maxwell-Gleichungen: B E k E c λ f μ ε c B λ z E(, ) E exp( i ( k ω)) 8

9 Lich als elekomagneische Welle Bescheibung elekomagneische Wellen Inensiä I de Welle milee übeagene Leisung (Enegie po Zei) po Fläche I S w c... : zeilich gemiele Göße Poyning-Veko zeilich gemiele Enegiediche Beispiel: Inensiä eine hamonischen ebenen elekomagneischen Welle S EB cos ( ω k x) I S EB cos ( ω k x) μ μ 44 ε I E B I μ c E E c B und c Mi W I p is ein Impuls po Zi Zei und Fläche Kaf po Fläche v c Lich üb einen Duck aus: Sahlungsduck P S I P S S c c w De Sahlungsduck is gleich de mileen Enegiediche μ ε 43 4 Impuls p F Leisung P F v P W p v W v P 9

10 Lich als elekomagneische Welle Bescheibung elekomagneische Wellen I P S S c c Sahlungsduck milee Enegiediche Sahlungsduck eine hamonischen ebenen elekomagneischen Welle I μ E B P w S Beispiel: Sahlungsduck de Sonne auf die Ede: E μ c - milee Inensiä de Sonnensahlung auf de Edobefläche: Wa I 4 m 4 Wa 6 N P S 5 8 im Vegleich zum Lufduck P 3 m m m L hpa seh klein! s 6 N 6 auf die ganze Ede wik die Kaf F π Ede P S 5 π (6,4 m ) m 8 6,4 N 65 Tonnen g!!!! B 5 N m

11 Lich als elekomagneische Welle Bescheibung elekomagneische Wellen Fage: Lichmühle Efolg die Bewegung duch den Sahlungsduck? bei Sahlungsduck: vespiegele Seie ehäl gößeen Impuls, beweg sich vom Lich weg In de Paxis deh sich die Lichmühle (auch: Radiomee) abe genau andes heum! Ekläung: Auf de schwazen Seie wid die umgebende Luf meh ewäm (duch Lichabsopion Enegieumwandlung) als auf de vespiegelen Seie. die Lufmoleküle übeagen de schwazen Seie meh Impuls hp://

12 Lich als elekomagneische Welle Das elekomagneische Spekum Was sind alles elekomagneische Wellen? Fequenz nm sichbaes Lich Miel- UKW & Kuzwelle und Fensehen Rada Lich Langwelle Mikowellen Infaosahlung Ulaviolesahlung Röngensahlung Gammasahlung ν [Hz] λ [m] Wellenlänge c λ ν mi c μ ε 4π 7 Vs Am 8,8549 As Vm 9979 kms 8 mal um die Ede in Sekunde zum Mond in ca. Sekunde von de Sonne zu Ede in 8 Minuen -

13 Lich als elekomagneische Welle Das elekomagneische Spekum Wie wid Lich ezeug? Beispiel : Glühlampe Pisma - Somfluß duch Dah mi hohem Widesand (Wolfam) ezeug hohe h Tempeauen Ladungen in den Molekülen weden zu saken hemischen Bewegungen ( Beschleunigung) angeeg Aussendung elekomagneische Wellen Beispiel : Leuchdiode - Somfluß duch das Halbleiemaeial de Diode ezeug Enegieübegänge de Ladungsäge (Elekonen) Anegung Elekonen gehen wiede in Zusand niedigee Enegie übe (beim Übegang von de n(egaiv) zu p(osiiv) doieen Seie) Aussendung de Enegie in Fom elekomagneische Wellen Weißes Lich enhäl Wellen veschiedene Fequenzen Faben Glühdah 3

14 Lich als elekomagneische Welle Dopple-Effek elekomagneische Wellen - Einneung: De Dopple-Effek Schall bei Bewegung bei Bewegung von Schallquelle ode Empfänge wid die Schallfequenz nach dem Relaiviäspinzip veände: Dopple-Effek Quelle (Wellenzahl ν ) und Empfänge bewegen sich elaiv zueinande mi Geschwindigkei v v ν ν ± c Vozeichen +: v > : Annäheung -: v < : Enfenung Lichwellen: c cons. muss in allen Ineialsysemen gelen Beispiel: Roveschiebung des Lichs von Galaxien - Lich enfene Galaxien zeig eine Veschiebung Δλ zu gößeen Wellenlängen Fluchgeschwindigkei Ausdehnungsgeschwindigkei des Univesums - Emissions-Wellenlänge Neon (585,5 nm) sei um Δλ 3 nm veschoben. Wie goß is v? c v v Δλ ν λ λ + Δλ λ λ λ v c λ c c λ v( Δλ 3nm) 589 km s - 4

15 Lich als elekomagneische Welle Dopple-Effek elekomagneische Wellen Vehalen fü Geschwindigkeien in de Nähe de Lichgeschwindigkei die spezielle Relaiviäsheoie is gülig Alle Ineialsyseme sind gleichbeechig - die physikalischen Geseze de Mechanik sind in jedem Ineialsysem gleich. Folgeung: Lichgeschwindigkei is in allen Ineialsysemen gleich! bei Annäheung von v gegen c änden sich dahe die physikalischen Gößen in bewegen Bezugssysemen gil nich die gleiche Zei: Zeidilaaion in bewegen Bezugssysemen gil nich die gleiche Ausdehnung: Längenkonakion k in bewegen Bezugssysemen gil nich die gleiche Masse: Massenzunahme E mc Es is unmöglich, ein massebehafees Teilchen auf c zu beschleunigen. Nu masselose Teilchen können Lichgeschwindigkei ehalen. Die Licheilchen (Phoonen) sind masselos! 5

16 Einfluss von Soffen auf die Wellenausbeiung Absopion sahl Lich in/auf Fesköpe, Flüssigkeien, ec. ein, wid es schwäche ein Teil de Lichenegie bleib im Maeial: Anegung des Aoms ode Moleküls, Wäme,... d I I exp( ε d) Lambe-Bee sches Absopionsgesez ε: Absopionskoeffizien [ε] m - d: Länge des Lichweges im Medium 6

17 Einfluss von Soffen auf die Wellenausbeiung Seuung an Paikeln Lich wid beim Duchgang duch Maeie nich nu absobie, es wid auch sichba Seuung von Lich an Paikeln/Teilchen: Tyndall-Effek Seuung finde an Paikeln sa Mie-Seuung Seuung dann, wenn die Lichwellenlänge in de Gößenodnung de Teilchen is Beispiel: Sichbamachung eines Lasesahls - Rauch h/n Nebel l/s Saub ezeug Seuung des Lasesahls, so dass de Sahl sichba wid 7

18 Einfluss von Soffen auf die Wellenausbeiung Seuung an Aomen und Molekülen Raleigh-Seuung eine elekomagneische Welle is ein schwingendes elekisches und magneisches Feld ein oszillieendes Feld bing Ionen in Bewegung: Beschleunigung duch die wikenden Käfe: Dipolmomen e p 3 3ε c dv d schwingende Dipol duch schwingendes elekisches Feld: Absand ände sich peiodisch (sinus-/cosinus-fömig) d d cos( ω ) p p cos( ω ) +e p ed d e vgl. hamon. Fedependel ein schwingende Dipol sahl Lich ab, da e ein Hez sche Dipol is p( ) p & p cos( ω ) ( ) ω p cos( ω) ω p abgesahle Li Leisung de geseuen Wll Welle: einlaufende Lichwelle P seu & p 4 ω mikoskopische Dipol (Molekül) geseue Welle Hochfequene Wellen weden deulich säke geseu! 8

19 Einfluss von Soffen auf die Wellenausbeiung Seuung an Aomen und Molekülen Raleigh-Seuung & 4 ω Hochfequene Wellen weden deulich säke geseu! P seu p Hochfequene Wellen weden deulich säke geseu! De Himmel eschein blau, Wäe es umgekeh, da ω d.h.wäeewap 4 blau > ω o ewa /ω, wäe de Himmel o! Fage: Waum eschein de Himmel mogens und abends o? - niedige Sonnensände lange Weg des Sonnenlichs duch die Amosphäe Seuung im blauen Spekalbeeich noch säke Sonnenlich wid gelblich/ölich 9

20 Zusammenfassung Ezeugung elekomagneische Sahlung/Wellen: Radiowellen: sichbaes Lich: Schwingkeis Glühlampe (Tempeausahle), Elekonenübegänge g Bescheibung elekomagneische Wellen: Ausbeiungsgeschwindigkei is die Lichgeschwindigkei Inensiä de elekomagneischen Welle I B(, ) B exp( i ( k ω)) E (, ) E exp( i ( k ω )) μ De Sahlungsduck kis gleich de gemielen Enegiediche Doppleeffek: v Δλ λ λ λ c B E k; E c B c λ f E B Δλ v c λ c c μ ε 9979 kms I P S S c c Lich wid in Maeie absobie: Lambe-Bee sche Gesez I I exp( ε d) w - μ ε Lich wid geseu: duch Paikel Tyndall-Effek, Mie-Seuung duch Aome/Moleküle Raleigh-Seuung (Schwingende Dipol sahl Lich ab) P seu & p 4 ω