Das Wesen des Lichts

Transkript

1 Das Wesen des Lichts

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3 Schwingungen und Wellen Abb. 1: Longitudinale Welle (oben) und transversale Welle (unten)

4 Begriffe zu Wellen

5 Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus Elektrizität: Es gibt positive und negative Ladungen Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine Einheitsladung

6 Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus Elektrizität: Es gibt positive und negative Ladungen Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine Einheitsladung Magnetismus: Es gibt magnetische Nord- und Südpole Die magnetische Feldstärke ist proportional zur magnetischen Kraft auf einen magnetischen Nordpol Jeder Magnet hat Nord- und Südpol. Aus einem Magneten führen immer o genauso viele Magnetlinien heraus wie hineinlaufen: Es gibt keine magnetischen Quellen (Magnetladungen, Monopole)!

7 Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus Elektrizität: Es gibt positive und negative Ladungen Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine Einheitsladung Magnetismus: Es gibt magnetische Nord- und Südpole Die magnetische Feldstärke ist proportional zur magnetischen Kraft auf einen magnetischen Nordpol Jeder Magnet hat Nord- und Südpol. Aus einem Magneten führen immer genauso viele Magnetlinien heraus wie hineinlaufen: Es gibt keine magnetischen Quellen (Magnetladungen, Monopole)! Eletromagnetische Wechselwirkung: Elektrische und magnetische Felder gehorchen den Maxwellgleichungen. Sie besagen, dass elektrische Felder, die sich verändern, Magnetfelder erzeugen und umgekehrt. Entscheidend ist hierbei, dass das erzeugte Feld immer senkrecht auf der verursachenden Feldänderung steht und dass die entstehenden elektrischen und magnetischen Wirbel immer ihrer Ursache entgegenwirken (Lenzsche Regel). Trägheit der elektromagnetischen Wechselwirkung

8 Der elektromagnetische Schwingkreis

9 Übergang zum Hertzschen Dipol (Antenne)

10 Elektromagnetische Wellen Ampère-Maxwell- und Indunktionsgesetz im ladungs- und stromfreien Raum: <<räumliche Änderung von B = 1/c * zeitliche Änderung von E senkrecht dazu>> <<räumliche Änderung von E = -1/c * zeitliche Änderung von B senkrecht dazu>>

11 Elektromagnetische Wellen Ampère-Maxwell- und Indunktionsgesetz im ladungs- und stromfreien Raum: <<räumliche Änderung von B = 1/c * zeitliche Änderung von E senkrecht dazu>> <<räumliche Änderung von E = -1/c * zeitliche Änderung von B senkrecht dazu>> Abbildung: Elektrischer und magnetischer Feldvektor einer elektromagnetischer Welle. Die Felder sind in Phase; sie stehen senkrecht aufeinander und auf der Ausbreitungsrichtung der Welle.

12 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen:

13 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen: 1. Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches Teilchen.

14 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen: Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches Teilchen. Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln mit einem bestimmten Radius.

15 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen: Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches Teilchen. Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln mit einem bestimmten Radius. Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen der Gravitation)

16 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen: Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches Teilchen. Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln mit einem bestimmten Radius. Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen der Gravitation) Alle qm Teilchen besitzen einen (relativistischen) Impuls: Photonenimpuls = (Planckkonstante * Frequenz):Lichtgeschwindigkeit

17 Photonen, die Lichtteilchen Begriffe Welle, Teilchen klassische Mechanik aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit klassischen Teilchen: Sie sind (bei wechselwirkung mit Materie) konzentrierter als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches Teilchen. Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln mit einem bestimmten Radius. Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen der Gravitation) Alle qm Teilchen besitzen einen (relativistischen) Impuls: Photonenimpuls = (Planckkonstante * Frequenz):Lichtgeschwindigkeit Die Newtonschen Axiome: kräftefreie Bewegung gleichförmig Kraft ~ Impulsänderung actio = reactio gelten nicht mehr zwingend für quantenmechanische Teilchen!!

18 Die Gravitationslinse Die vier kreuzförmig um das Zentrum angeordneten Lichtpunkte stammen von demselben Objekt, dass sich hinter dem Massezentrum verbirgt.

19 Die Gravitationslinse Auch auf diesem Bild ist ein Gravitationslinseneffekt zu sehen. Das Gravitationszentrum ist hier ein Galaxienhaufen in 7 Mrd. Lichtjahren Entfernung, und die verzerrten Objekte sind ein Quasar und eine andere Galaxie.

20 Die Gravitationslinse Hier kann man sehen, welche Lichtflecken jeweils von demselben Objekt stammen. Die übrigen Galaxien gehören zum Galaxienhaufen. Ein Bild vom Hubble Space Telescope (s. Astronomy picture of the day)

21 Das elektromagnetische Spektrum

22 Energie des Lichtes Frequenz*Vakuumwellenlänge = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (konstant!) Die Gesamtenergie der elektromagnetischen Welle setzt sich zusammen aus der Feldenergie, die von der Schwingungsamplitude des elektrischen Feldes abhängt (~Intensität!), und aus der Schwingungsenergie, die von der Frequenz der Welle abhängt.

23 Energie des Lichtes Frequenz*Vakuumwellenlänge = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (konstant!) Die Gesamtenergie der elektromagnetischen Welle setzt sich zusammen aus der Feldenergie, die von der Schwingungsamplitude des elektrischen Feldes abhängt (~Intensität!), und aus der Schwingungsenergie, die von der Frequenz der Welle abhängt. Im Teilchenbild ist die Energie des einzelnen Photons nur proportional zur Frequenz: Photonenenergie = Planckkonstante * Frequenz die Anzahl der Photonen nur proportional zur Intensität: Photonenzahl ~ (Feldamplitude)²

24 Geometrische Strahlenoptik

25 Lichtspektren

26 Lichtspektren

27 Lichtspektren

28 Lichtspektren

29 Absorption und Emission

30 Entstehungsarten von Licht

31 Entstehungsarten von Licht Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper zufällige Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der Temperatur des Körpers kontinuierliches Spektrum

32 Entstehungsarten von Licht Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper zufällige Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der Temperatur des Körpers kontinuierliches Spektrum Stimulierte Emission: Laser erzeugtes Licht und Molekülschwingungen beeinflussen sich gegenseitig Licht kann nur ganz bestimmte Frequenzen haben (oft nur eine einzige) extrem scharfes Linienspektrum

33 Entstehungsarten von Licht Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper zufällige Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der Temperatur des Körpers kontinuierliches Spektrum Stimulierte Emission: Laser erzeugtes Licht und Molekülschwingungen beeinflussen sich gegenseitig Licht kann nur ganz bestimmte Frequenzen haben (oft nur eine einzige) extrem scharfes Linienspektrum Lichtentstehung bei Kern- und Teilchenreaktionen: Kerne (oder andere Teilchen) nehmen energetisch günstigere Konstellation ein überschüssige Energie wird als Photon freigesetzt jede dieser Reaktionen hat eine ganz bestimmte Photonenenergie (also auch Frequenz) diese Photonen liegen üblicherweise weit jenseits des sichtbaren Bereichs (Gammastrahlung)

34 Verschiedene Lichtquellen Die Sonne ein Fusionsreaktor

35 Verschiedene Lichtquellen Die Sonne ein Fusionsreaktor (siehe Wikipedia!)

36 Verschiedene Lichtquellen Die Glühlampe eine Heizbirne

37 Verschiedene Lichtquellen Die Leuchtstoffröhre (Energiesparlampe) ohne Neon, dafür mit Quecksilber

38 Verschiedene Lichtquellen Die Leuchtdiode (LED) pure Effizienz

39 Verschiedene Lichtquellen Der Laser Wunderspielzeug der Physiker: kohärent (lange zusammenhängende Wellenzüge wie im Lehrbuch) monochromatisch (Licht von nur einer oder wenigen Wellenlängen) ideal für genaue Messungen

40 Das CD-/DVD-Spektrometer

41 Die DVD gute Auflösung (Leuchtstofflampe)

42 Die DVD gute Auflösung (Leuchtstofflampe)

43 LED-Taschenlampe

44 LED-Taschenlampe

45 blaue LED (an der Festplatte)

46 blaue plus rote LED

47 grüne LED (am Lautsprecher)

48 Energiesparlampe

49 Energiesparlampe

50 Sonne

51 Wolke

52 Die CD ungenauer, aber schöner

56 Ein Lampenschirm mit Energiesparlampe...

57 ...mit DVD

58 ...mit DVD

59 ...und mit CD betrachtet

66 Verschiedene Lichtquellen

67 Ausbreitung des Lichts Huygens'sches Prinzip Jeder Punkt einer bestehenden Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen kugelförmigen Welle (Elementarwelle), die sich mit derselben Geschwindigkeit und Frequenz ausbreitet wie die ursprüngliche Wellenfront. Die Einhüllende aller Elementarwellen ergibt die Wellenfront zu einem späteren Zeitpunkt.

68 Polarisation

69 Polarisation

70 Polarisation von gespiegeltem Licht

73 Polarisation am Himmel

76 Spiegelung im Polarisationswinkel

83 Beugung

84 Beugung

85 Beugung

86 Interferenz Konstruktive Interferenz Destruktive Interferenz

87 Interferenz beim Doppelspalt

88 Interferenz beim Doppelspalt

89 Interferenz an dünnen Schichten

100 Der Photoeffekt 1887/88 Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs 1905 Erklärung des Photoeffekts durch Albert Einstein

103 Der Photoeffekt

104 Der Photoeffekt EPhoton = hν

105 Die Bedeutung des Lichtes für den Physiker: Quantennormale, Cäsium-Zerfall definiert Sekunde, Lichtgeschwindigkeit definiert Meter Kohlenstoffatom definiert Kilogramm

106 Die Bedeutung des Lichtes für den Physiker: Quantennormale, Cäsium-Zerfall definiert Sekunde, Lichtgeschwindigkeit definiert Meter Kohlenstoffatom definiert Kilogramm für die Kunst: Licht ist die Voraussetzung für die darstellende Kunst. Verschiedene Beleuchtungsspektren (z.b. In der Provence, in den Bergen, in Murnau, im Museum etc.) und ihr Einfluss auf die Farbwirkung sowie optische Effekte aller Art inspirieren Künstler immer wieder zu neuen Werken.

107 Ergänzungen zur Farbe Aus physikalischer Sicht unterscheiden sich Farben nicht wesentlich es ist nur Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. Aus physikalischer Sicht gibt es unendlich viele Grundfarben, da zwei Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen nicht eine Welle mit einer anderen Wellenlänge erzeugen können. Dies ist eine Täuschung durch unseren unvollkommenen Sehapparat: Aus menschlicher Sicht gibt es nur drei Grundfarben, da wir mit drei verschiedenen Farbsinneszellenarten auch nur drei verschiedene Farben unterscheiden können. Im Tierreich gibt es aber verschiedene Varianten des Farbsehens von der Farbenblindheit bis zur Vierfarbensichtigkeit.

108 Ergänzungen zur Farbe

109 Ergänzungen zur Farbe Absorptionsmaxima verschiedener Zapfentypen im Vergleich (Wellenlänge der Absorptionsmaxima in nm) Zapfentypen: Mensch [1] Mensch [2] UV S M L - Pferd Vögel [1] Goldfisch[3]