Protokoll zum Anfängerpraktikum

Transkript

1 Protokoll zum Afägerpraktikum Polarisatio vo Licht Gruppe, Team 5 Sebastia Korff Frerich Max

2 Ihaltsverzeichis. Eileitug -3-. Polarisatio -3-. Dichroismus BREWSTER Wikel Der FARADAY Effekt -6-. Versuchsdurchführug -7-. Reflektivität vo liear polarisiertem Licht -7-. Drehvermöge eier Zuckerlösug VERDET sche Kostate eies Bleiglasstabes Beatwortug der Frage -- Literaturverzeichis Ahag

3 . Eileitug. Polarisatio Die Polarisatio des Lichts wurde 808 vo ETIENNE MALUS (775-8) etdeckt. Lichtwelle sid trasversale Welle, das heißt die elektrische Feldstärke E r ud die magetische Feldstärke H r schwige sekrecht zur Fortpflazugsrichtug. Da E r die meiste Lichtwirkuge hervorruft, wird auch i erster Liie E r betrachtet ud heißt daher auch Lichtvektor. Licht ka vollstädig oder teilweise polarisiert sei. Der Grad der Polarisatio ist das Verhältis der Strahlstärke des polarisierte Ateils zur gesamte Strahlstärke. Der Zahlewert hierfür liegt zwische 0 (atürliches Licht) ud (vollstädig polarisiertes Licht). Ma uterscheidet isgesamt drei Arte vo Polarisatio: Abb.: Schematische räumliche Darstellug vo polarisierte Welle: liear, zirkular, elliptisch (v.l..r.) Liear polarisiertes Licht: E r schwigt immer ur i die gleiche Polarisatiosrichtug. Zirkular polarisiertes Licht: E r dreht seie Schwigugsrichtug um die Ausbreitugsrichtug. Die Spitze des Lichtvektors beschreibt eie Kreis sekrecht zur Ausbreitugsrichtug. (4.0.06) 3

4 Elliptisch polarisiertes Licht: E r dreht seie Schwigugsrichtug um die Ausbreitugsrichtug. Die Spitze des Lichtvektors beschreibt eie Ellipse sekrecht zur Ausbreitugsrichtug.. Dichroismus Eiige Materialie habe eie (oder mehrere) ausgezeichete optische Achse. Verschiedee Eigeschafte uterscheide sich hierbei, ob ma sie parallel zur optische Achse (außerordetlich) oder sekrecht dazu (ordetlich) betrachtet. Der ordetliche Strahl folgt dem Brechugsgesetz vo Sellius. Zeigt das Material zwei uterschiedliche Absorptiosverhalte bezüglich dieser Achse, also wird z.b. je ach Polarisatio des durchscheiede Lichtes eie adere Farbe absorbiert, wird dieses Verhalte Dichroismus geat (Abb. B). Das Wort Dichroismus leitet sich aus dem griechische Wort Dichroos für zweifarbig ab. Die Mehrfarbigkeit wird allgemeier als Pleochroismus bezeichet. Doppelbrechedes Medium Außerordetliches Licht Ordetliches Licht Abb.: Dichroismus Hierbei wird uterschiede, welcher Art vo Polarisatio das eifallede Licht hat. Es gibt de lieare Dichroismus, bei dem das Material vo liear polarisiertem Licht durchschiee wird. Daebe wird mit Zirkulardichroismus die Differez der Absorptioskoeffiziete für liks bzw. rechts zirkular polarisiertes Licht beim Durchgag durch optische aktive Verbiduge beschriebe. Ei Polarisatiosfilter besteht aus dichroistische Makromoleküle, eigelagert i klare Kuststoffschichte. 4

5 .3 Brewster-Wikel Der Brewsterwikel, ach DAVID BREWSTER, (Formelzeicheα ) ist eie Größe der optische Physik. Licht, welches auf eie Grezfläche zwische zwei Medie mit de Brechzahle bzw. trifft, wird gemäß de Freselsche Formel reflektiert bzw. trasmittiert. Für Licht mit eier Polarisatio parallel zur Eifallsebee, welches mit dem Brewsterwikel eifällt, etfällt die Reflexio. Das Licht drigt vollstädig durch die Oberfläche. Licht mit sekrechter Polarisatio higege wird auch teilweise reflektiert. Das reflektierte Licht ist somit vollstädig liear polarisiert. B α B Für de Brewsterwikel gilt: () ta( α B ) = Abb.3: Zur Defiitio des Brewsterwikels α B Der eitreffede Lichtstrahl regt die Atome des Materials zum Schwige a. Es etsteht dadurch eie Asammlug vo atomare Dipole, die i Polarisatiosrichtug schwige ud dadurch Sekudärwelle ausstrahle. Nach dem optische Reflexiosgesetz (Eifallswikel gleich Ausfallswikel) wird der Strahl uter dem Eifallswikel reflektiert. Das besodere bei Eistrahlug im Brewsterwikel: Der uter dem Wikel α B gebrochee Strahl steht orthogoal auf dem reflektierte, daher wird das gesamte parallel zur Eifallsebee polarisierte Licht gebroche ud ur der sekrecht zur Eifallsebee polarisierte Ateil reflektiert. Grud: Würde auch parallel zur Eifallsebee polarisiertes Licht reflektiert, so ergäbe dies eie logitudial schwigede Lichtwelle, die aufgrud der Eigeschafte des elektromagetische Felds icht existiere ka (vgl. Strahlugscharakteristik eies Dipols (erzwugee Schwigug): i Richtug der Dipolachse fidet keie Abstrahlug statt) (Frage ). Aus: ( ) 5

6 Ma ka also eie Glasplatte als Polarisator verwede, idem ma sie im Brewsterwikel bestrahlt..4 Der FARADAY Effekt Der Faraday-Effekt ist ei mageto-optischer Effekt. Er beschreibt die Drehug der Polarisatiosebee vo polarisiertem Licht beim Durchgag durch ei trasparetes Medium, a das ei Magetfeld parallel zur Ausbreitugsrichtug der Lichtwelle agelegt wird. Er tritt i de meiste dielektrische Materialie (eischließlich Flüssigkeite) auf, we sie eiem starke magetische Feld ausgesetzt werde. Die Drehug der Polaristiosebee ist umso größer, je stärker das agelegte Feld ist. Weist das Medium auch ohe ei agelegtes Magetfeld eie Eifluss auf die Polarisatioebee auf, spricht ma vo optischer Aktivität. Der Faraday-Effekt wurde vo Michael Faraday 845 etdeckt. Er wurde als erster experimeteller Hiweis dafür gedeutet, dass Licht ud Magetismus miteiader i Beziehug stehe. Der Drehwikel β, um de sich die Polarisatiosebee dreht, berechet sich wie folgt: l Abb.4: Darstellug des Faraday Effekts Es gilt: () ψ = V l B 3 Wobei V die VERDET sche Kostate abhägig vo Temperatur ud Welleläge ist. Eie positive Verdet-Kostate führt zu eier mathematisch positive Drehug, we das Magetfeld parallel zur Ausbreitugsrichtug liegt. Ei atiparalles Magetfeld führt da zu eier mathematisch egative Drehug. Das bedeutet, dass sich für 3 Aus: ( ) 6

7 eie Welle, die das Medium zweimal i jeweils etgegegesetzter Richtug durchläuft (hi ud zurück), die Rotatio verdoppelt: ψ 0 ( ψ 0 ) = ψ 0 (Frage 4). Versuchsdurchführug. Reflektivität vo liear polarisiertem Licht Gemäß Abb.5 wurde die Reflektivität vo sekrecht ud parallel polarisiertem Laserlicht gemesse. Dazu wurde mittels eier Fotodiode die zur Itesität proportioale Spaug ohe Reflektio a der Glasscheibe gemesse: U se = (,767 ± 0,005)V ud U pe = ( 6,500 ± 0,005) V Es wurde u i Abhägigkeit des Wikels α die Spaug bei der Fotodiode ach der Reflektio des Laserstrahls gemesse. Hieraus wurde der Reflektioskoeffiziet R s bzw. R p bestimmt. Es gilt: (3) R s U = U sr se U U D D R p, theo = ta ²( α (si ta ²( α + (si siα siα )) )) (4) R s U pr U D =, U U pe D R s, theo = si ²( α (si si ²( α + (si siα siα )) )) wobei U D die Dukelspaug ist ( U D = 0, 003V ). Abb.5: Versuchsaordug der Reflektivität vo liear polarisiertem Licht α / U sr / V R s R s, theo U pr / V R p R p, theo 7

8 ( ± 0,005V ) ( ± 0,005V ) 5 0,68 0,04 0,04 0,36 0,8 0,04 0 0,430 0,07 0,05 0,76 0,5 0,03 5 0,43 0,06 0,05 0,5 0, 0, ,44 0,07 0,06 0,99 0, 0, ,56 0,08 0,07 0,6 0,09 0,0 40 0,603 0,09 0,08 0,6 0,06 0,0 45 0,706 0, 0,09 0,079 0,04 0,0 50 0,83 0,3 0, 0,045 0,0 0, ,940 0,4 0,3 0,030 0,0 0,00 55,004 0,5 0,4 0,0 0,0 0,00 58,33 0,7 0,6 0,0 0,0 0,00 60,43 0,9 0,8 0,06 0,0 0,00 63,407 0, 0, 0,047 0,0 0,0 65,55 0,4 0,3 0,080 0,04 0,0 68,797 0,8 0,7 0,36 0,08 0,03 70,030 0,3 0,30 0,05 0, 0,04 73,390 0,37 0,36 0,333 0,9 0,08 75,400 0,37 0,40 0,503 0,8 0, 80 3,80 0,50 0,54,45 0,65 0,4 85 4,450 0,68 0,73,660,5 0,49 Abb.6: Messtabelle zur Bestimmug des Reflektioskoeffiziete R,5 R R s p,0 R 0,5 0, α / Abb.7: Reflektioskoeffiziet R i Abhägigkeit des Reflektioswikels α a eier Grezfläche Luft ( = ) / Glas ( =, 5 ) 8

9 Die Messwerte etspreche ugefähr de Erwartuge. Die Abweichug lasse sich damit erkläre, dass Streulicht vo der Fotodiode aufgeomme wurde ud der Laserstrahl icht optimal justiert werde kote. A der Stelle α B = arcta( ) = 56, 3 erhalte wir für de parallel polarisierte Reflektiosfall ei erwartugsgemäß ei Miimum (Frage 5).. Drehvermöge eier Zuckerlösug Im folgede Versuch soll das Drehvermöge γ ( λ, T ) eier Rohrzuckerormallösug der Kozetratio 6g Rohrzuc ker C = bestimmt werde. Gemäß Abb. 8 wird der 00cm³ Wasser Laserstrahl durch eie mit der Lösug gefüllte Küvette ud zwei Polarisatiosfilter zur Fotodiode gesedet. Abb.8: Aufbau zur Bestimmug des Drehvermöges eier Zuckerlösug l = ( 9,5 ± 0,)cm Bei eier Temperatur vo T = 8,0 C musste der zweite Polarisatiosfilter um 46 ψ = (46 ± 0,5) ach liks gedreht werde, damit eie miimale Itesität erreicht werde kote. Es hadelt sich also um eie liksdrehede Lösug, we ma davo ausgeht die Polarisatiosebee weiger als 80 gedreht wurde (Frage 6) cm³ cm² (5) γ ( λ, T ) = ψ = = (5,997 ± 0,056) l C 9,5cm 6g g 9

10 .3 VERDETsche Kostate eies Bleiglasstabes Zur Bestimmug der VERDETsche Kostate eies Bleiglasstabes Schwerflit SF6 wurde ei Versuchsaufbau gemäß Abb. 9 verwedet. Abb.9: Aufbau zur Bestimmug der VERDET sche Kostate eies SF6-Bleiglasstabes Ei Laserstrahl passiert eie Polarisatiosfilter PF ud trifft auf eie Strahlteiler. Der eie Teil des Strahls passiert de Bleiglasstab der Läge l = 30, 0 mm i dem FARADAY Rotator R ud wird vo eiem Spiegel SP zurück i de Strahlteiler reflektiert. Die Hälfte des Strahls passiert de Polarisatiosfilter PF ud trifft auf die Fotodiode. Es wurde bei verschiedee Magetfeldstärke BZ die Drehug um ψ der Polarisatiosebee gemesse. Die Variatio der Magetfeldstärke wurde mittels Äderug der Stromstärke I im Bereich vo 4,6A I 3, 95A ermittelt. Hier raus kote wir mittels Polyom 3 aus dem Skript die effektive Magetfeldstärke B Z, eff errechet werde. Der Drehwikel Wikel bei agelegter Stromstärke ψ ergibt sich aus der Differez der beide I ud + I. 6 B z, eff / ψ / I / A mt 4,05 94,97 4,66 3,00 7,,89,09 50,09 8,6,00 4,0 5,4 ψ / B z, eff / mt Abb.0: Doppelter Drehwikel ψ i Abhägigkeit der z-kompoete des agelegte Magetfeldes Aus Gleichug () erhalte wir u mit Hilfe der Steigug m der Regressiosgerade 0

11 ψ ψ = V ( λ, T ) Bz, eff l = V ( λ, T ) l m grd V ( λ, T ) = = (378,9 ± 78,7) l T m Die Raumtemperatur bei userer Messug betrug B z, eff T = 8, 0 C. Im Vergleich zu dem Literaturwert vo V grd = 49, 6 bei λ = 63,8m ud Raumtemperatur köe wir i T m Abetracht der relativ ugeaue Messug ud bei ur vier Messwerte de Versuch trotzdem als geluge asehe.

12 3. Beatwortug der Frage Frage : siehe Seite 5 Frage : si( α β ) ta( α β ) = cos( α β ) si( α β ) cos( α β ) cos( α β ) si( α β ) = 0 Diese Gleichug ist ur erfüllt, we si( α β ) = 0 oder cos( α β ) = 0, bzw. α = β oder β = 90 α. Brechugsgesetz: siα = si β siα si(90 α) =, mit si( 90 α) = cosα folgt siα = taα = cosα Frage 3: Sie erfährt keie Äderug, da durch die schraubeförmige Struktur der Moleküle im Medium der Betrag ud auch die Richtug der Polarisatiosäderug vorgegebe ist. Die Polarisatio hebt sich sozusage gegeseitig auf. Frage 4: siehe Seite 7 Frage 5: siehe Seite 8 Frage 6: siehe Seite 9

13 Literaturverzeichis Breuer, Has, dtv-atlas Physik, 6. Auflage, Deutscher Taschebuch Verlag GmbH & Co. KG Müche, September 005 Helmers, Dr. Heiz, Skript zum Afägerpraktikum Physik II, CvO Uiversität Oldeburg, Istitut für Physik, April 006 Halliday, David, Physik, Wiley VCH GmbH, Weiheim, 003 3

14 Ahag 4