PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen. 7. Vorlesung Nadja Regner, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch

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1 PN Einführung in die Eperimentalphsik für Chemiker und Biologen 7. Vorlesung.6.7 Nadja Regner, Thomas Shmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilh Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Phsik Ludwig-Maimilians-Universität Münhen Erinnerung X = X L ωc l = ω Wehselspannung Wehselstrom Blindwiderstände ω = LC Shwingkreise reisfrequenz

2 The aterpillar has turned into a butterfl. R.P. Fenman Elektromagnetishe Wellen Das heutige Menü d (I) E dr = B ds r r d (II) B dr = E ds + ε (III) E ds = ρdv SO ε VSO (IV) B ds = SO j ds = t Wellengleihung. Die Mawell-Gleihungen sagen die Eistenz von elektromagnetishen Wellen voraus!. Wie entstehen EM-Wellen (Dipolstrahlung)?

3 Die bisherigen Zutaten Ladungen q erzeugen elektrishe Felder E Zeitlihe Änderungen des B-Feldes generiert ein E-Feld (Wirbelfeld) Bewegte Ladungen q (Ströme) erzeugen magnetishe Felder B de r =? Effekt eines zeitlih veränderlihen E-Feldes? Der Mawellshe Vershiebestrom Wir betrahten zwei Wehselstromkreise, in denen der gleihe Strom I fliessen soll. R C ~ Zusammenhang Strom und Änderung des elektrishen Feldes: ~

4 Zoom auf den ondensator: Elektrisher Fluss φ: Magnetfeld kann entstehen durh:. Ehten elektrishen Strom. Änderung des elektrishen Feldes (Vershiebestrom) (II) d B dr = E ds + ε j ds Aus Herr Mawell eine Welle mahen Wir betrahten einen Ausshnitt des Weltalls im dem es keine freien Ladungen und damit auh keine Ströme gibt. (I) (II) (III) (IV) d E dr = B ds d B dr = E ds + ε E ds = ρdv SO ε VSO B ds = SO j ds Das maht die Mawell-Gleihungen shon etwas einfaher!

5 (I) (II) E dr = d B dr = d B ds E ds Zwei (fast) smmetrishe Gleihung für E und B! Wir analsieren Gl. (I) genauer. Das E-Feld habe nur eine omponente in -Rihtung E. Die omponente kann sih entlang der z-ahse ändern. z Berehung von E dr z Berehung von B ds Mit (I) E dr = d B ds erhält man: Analog aus (II) B dr = d E ds

6 Was haben wir bisher? E B B E + = + = z t z t Am Ziel Folgerungen aus den Wellengleihungen E z E t = = ε o µ B z t B = This veloit is so nearl that of light, that it seems we have strong reason to onlude that light itself (inluding radiant heat, and otheadiations if an) is an eletromagneti disturbane in the form of waves propagated through the eletromagneti field aording to eletromagneti laws. (James C. Mawell 865) z Ausgehend von einem E-Feld in -Rihtung erhalten wir eine Gleihung für eine Welle, die in z-rihtung propagiert. Transversale Welle Senkreht zum E-Feld shwingt in Phase das B-Feld. Harmonishe Wellen sind eine Lösung der Wellengleihung: Eperiment Polarisation

7 EM-Wellen transportieren Energie Brisson und Lavoisier nutzen 774 die Energie des Sonnenlihtes um hohe Temperaturen zu erreihen Energiedihte der EM-Welle: Elektr. Magnet. Gesamt Zeitlih gemittelt: Mittlere Intensität: Solarkonstante Herr Hertz gab Herrn Mawell Reht Heinrih Hertz Im ehten Shwingkreis sind die Felder lokalisiert. Durh das Aufbiegen entsteht ein shwingender Dipol und die Felder weiter in den Raum. Die Felder nahe des Dipols sind sehr kompliziert, wir beshäftigen uns hier nur mit dem sogenannten Fernfeld. Eperiment Computer-Animation Dipol

8 Der shwingende elektrishe Dipol I(z,t)=I (z) sin ωt Leistung pro Flähe S: z Mittlere abgestrahlte Leistung: Abstand von Ladungsshwerpunkten shwingt: Wenn sehr kleine Dipole shwingen - Fluoreszenz Eperiment Fluoreszenz N O O Coumarin 53 Fluoreszenzfarbstoff Farbstoffmoleküle enthalten leiht beweglihe π Elektronen, die zum Shwingen gebraht werden können. CF 3 Naive Abshätzung der Shwingungsfrequenz: Verhalten des shwingenden Dipols ist grundlegend für das Verständnis von Emissions- und Absorptionsvorgängen von Molekülen!

9 EM-Strahlung und beshleunigte Ladungen Eine shwingende Ladung wird permanent beshleunigt (bzw. verzögert). Voraussetzung für EM-Strahlung ist niht die Shwingung sondern die Beshleunigung! Zwei Beispiele Bremsstrahlung in Röntgenröhre Snhrotronstrahlung