Vorlesungen E3 und E3p - Wellenlehre und Optik

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1 . Vorlesungen E3 und E3p - Wellenlehre und Optik Prof. Dr. Wolfgang Zinth Department für Physik Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Anschrift: Oettingenstraße 67, Zimmer Z 0.15 Tel , Fax zinth@physik.uni-muenchen.de Homepage zu Vorlesung und Übungen: Sprechstunde: In den Vorlesungspausen oder Donnerstag, Uhr in der Oettingenstrasse (bitte telefonische Anmeldung) 1 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

2 . Forschungsgebiete: Biophysik und Ultrakurzzeitspektroskopie Optik: Laserbau (kürzeste Lichtblitze), nichtlineare Optik Biophysik: Schnellste Vorgänge in der belebten Natur (Photosynthese, Proteinfaltung) Molekülphysik: Femtochemie, optische Kontrolle von Reaktionen Bemerkung zur Vorlesung E3 und E3p Ablauf der kombinierten Vorlesung: Dienstag und Donnerstag: 2 Stunden 12:15 bis 13:45 Die Unterscheidung zwischen E3 und E3p betrifft die Tiefe und Auswahl der Inhalte der Vorlesung. Es werden im Internet die Inhalte der Vorlesungen, die für E3p Studenten nicht prüfungsrelevant sind mit * markiert. Auch wird in der Vorlesung (und im Internet) bekannt gegeben, wenn mehrere Vorlesungsstunden nicht prüfungsrelevant für E3p-Studenten sind (und deshalb nicht besucht werden müssen). 2 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

3 . Übungen zu den Vorlesungen E3 und E3p Übungsleitung: Dr. K.-H. Mantel, Sprechstunde Donnerstag 14 Uhr Oettingenstraße 67, Zimmer C0.11, Tel Beginn der Übungen Bitte Anmeldung im Internet nach der Vorlesung ausfüllen!! (Anmeldeschluss , 15 Uhr) (Fourier-Transformation??) 3 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

4 . Verschiedene Übungstypen: 1. Standard-Übungen (Verschiedene Termine Dienstag bis Freitag). 2. Tutorial-Übungen (am Montag). Unter Anleitung durch einen Betreuer, der Ihnen zunächst die grundlegenden Schritte zur Bearbeitung der Aufgaben erklärt, bearbeiten Sie Übungsaufgaben. Detaillierte Lösungen erhalten Sie in einer der Standard-Übungen. 3. E3p Übungen am Donnerstag 14 und 15 Uhr 4 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

5 . 5 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

6 . Sinn der Übungen ist es: Stoff zu vertiefen. Etwas über die Vorlesung hinausgehendes zu lernen. Hinweise für praktische Anwendungen zu erhalten. Die eigene Qualifikation zu erhöhen. Die Rechenfertigkeit zu verbessern. Andere Leute kennenzulernen. Sprechen und diskutieren anhand von wissenschaftlichen Problemen zu üben. Ärger loszuwerden, z. B. über Vorlesung, Studium, Uni, Welt. Und vor allem das notwendige Wissen für das gute Bestehen der Klausur zu gewinnen Übungs-Blätter werden spätestens am Freitag ins Netz gestellt. Am Montag darauf starten jeweils die zugehörigen Übungsgruppen Erstes Übungsblatt am Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

7 . Notizen zum Stichwort "Optik" Optik ist... Optik ist... Optik ist... Optik ist... die Lehre vom Licht, d.h. die Lehre von der Entstehung und Ausbreitung von Licht (Lexikon Definition). Die Optik gliedert sich in: klassische Optik (geometrische Optik und Wellenoptik), und Quantenoptik. seit mehr als zwei Jahrtausenden eine extrem modernes Gebiet der Physik. ein Gebiet der Physik, das die Naturwissenschaften oft revolutioniert hat und auch in Zukunft weiter revolutionieren wird. das Gebiet der Physik, das zu den modernen Naturwissenschaften geführt hat: zu Beginn der Neuzeit: optische Geräte wie Fernrohr und Mikroskop haben ein neues Weltbild hervorgebracht. am Anfang unseres Jahrhunderts: Schwarzer Strahler, Spektrallinien und Photoeffekt haben zur Quantenmechanik geführt. Ohne Optik keine Relativitätstheorie. Optik ist... Erfindung und Anwendung des Lasers 7 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

8 . Laser: Der Laser, als modernstes Hilfsmittel der Optik, hat optische Methoden in die Grundlagenphysik, die angewandte Physik,... und ins tägliche Leben getragen Laser sind als intensive, extrem präzise Lichtquellen (Verschiedene Nobelpreise) in den nächsten Jahrzehnten das herausragende physikalische Instrument für fundamentale Probleme in Physik, Chemie und Biologie. Rechtes Bild: Herz eines Titan-Saphir- Lasers der extrem kurze Lichtimpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden emittiert 8 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

9 . Die Vorlesung E3 und E3p - Inhalte 1. Einführung und historischer Überblick: was ist Licht? 2 Licht als elektromagnetische Welle Wellengleichung, Energie und Impuls, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, Dispersion(*), Absorption(*), Grenzflächen, Reflexions- und Brechungsgesetz, Reflexionsgrad, evaneszente Wellen(*), Lichtwellenleiter, Farbe von Gegenständen, Streuung 3. Die Geometrische Optik Fermatsches Prinzip, Prisma, Regenbogen*, Abbildung, Kugelspiegel, Linsen, Hauptebenen*, Matrizen*, Instrumente der geometrischen Optik, Auge 4. Welleneigenschaften von Licht Huygenssches Prinzip, Fresnelsche Beugung, Fresnel- Kirchhoffsche Beugungstheorie, Fraunhofersche Beugung, spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung, Gitterspektrometer, Interferenz, Auflösungsvermögen optischer Geräte, Fourieroptik(*), 9 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

10 . Gaußsche Bündel*, Polarisation von Licht, Doppelbrechung(*), Optische Aktivität*, Nichtlineare Optik* 5. Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen Photoeffekt, Eigenschaften von Photonen, Licht ist Welle und Teilchen, Photoeffekt, Strahlungsgesetze und Lichtquellen(E4?), Lichttechnische Größen(E4?), schwarzer Strahler(E4?), Plancksche Strahlungsformel(E4?) 6 Laser* Lichtverstärkung, Niveauschema, Laserresonatoren 10 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

11 . Literatur zur Vorlesung begleitend: W. Zinth / U. Zinth: Optik Lichtstrahlen - Wellen - Photonen Oldenbourg Verlag Abbildungen aus dem Buch in Farbe unter: Eventuell auch: W. Demtröder: Experimentalphysik II: Elektrizität und Optik Springer Lehrbuch W. Zinth / H.-J. Körner: Physik III: Optik, Quantenphänomene und Aufbau der Atome, Oldenbourg Verlag 11 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

12 . weiterführend: E. Hecht: Optik, Addison-Wesley / Oldenbourg vertiefend: Bergmann Schaefer: Optik (Band III), Walter de Gruyter 12 Physik III Optik W.Zinth Physik LMU

13 1. Was ist Licht? Einführung und historischer Hintergrund Licht: elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von ca m W. Zinth Physik LMU

14 Sichtbares Licht Farbzuordnung Frequenz in Hz Wellenlänge in nm rot 3,8-4, orange 4,8-5, gelb 5,0-5, grün 5,2-6, blau 6,1-6, violett 6,6-7, Gesamter sichtbarer Bereich: 380THz bis 770THz oder 790nm bis 390nm Abweichungen davon möglich, abhängig von der Lichtintensität und dem individuellen Farbempfinden W. Zinth Physik LMU

15 Geschichte der Optik - Geschichte der Wellenlehre? Naturphilosophen im alten Griechenland Hypothesen über das Wesen des Lichts diskutiert, Lichtteilchen Grundlagen der geometrischen Optik, Brechungsgesetz Heron von Alexandria (ca ) Prinzip des kürzesten Weges Ibn Al Haitham Alhazen ( ) Reflexion, Abbildung im Auge H. Lippershey ( ) Fernrohr Johannes Kepler ( ) Brechung (kleine Winkel), Fernrohr Galileo Galilei ( ) Erste Anwendung der geometrischen Optik durch Konstruktion des Fernrohrs Willebrord Snellius ( ) 1621 Brechungsgesetz (Descartes etwas später) W. Zinth Physik LMU

16 Robert Hooke ( ) Beugung, Interferenzerscheinungen Farberscheinungen von dünnen Blättchen Isaac Newton ( ) Farbzerlegung von weißem Licht 1666 Korpuskulartheorie des Lichtes (bereits von Descartes diskutiert) Newton gelang Erklärung der Transversalität 1717 Newton Gegner der Wellentheorie Christian Huygens ( ) Wellen im Lichtäther, der alle Körper durchdringt Polarisation des Lichts, Erklärung der Brechung Wellen waren damals grundsätzlich longitudinale Wellen! Pierre de Fermat ( ) Lichtausbreitung, Brechung (Licht im Medium langsamer) Ole Christensen Rømer ( ) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit aus Verfinsterung der Jupitermonde Thomas Young ( ) Interferenzprinzip, 1801 Erweiterung der Wellentheorie W. Zinth Physik LMU

17 Jean Fresnel ( ) Anhänger der Wellentheorie, Preisschrift 1819 Elementarwellen und Interferenz (Young) vereinigt Michael Faraday ( ) Experimente zur magnetischen Induktion und Drehung der Polarisation James Clark Maxwell ( ) Elektromagnetische Wellen - Licht Heinrich Hertz ( ) Erzeugung und Nachweis einer elektromagnetischen Welle Max Planck ( ) 1900 Quantenhypothese Albert Einstein ( ) Photoeffekt, Quantennatur, stimulierte Emission(1917) 1960 erster Laser W. Zinth Physik LMU

18 Wege zum korrekten Verständnis: 1. Beobachtungen 2. Erklärung mit verschiedenen theoretischen Beschreibungen 3. Gezielte Experimente, die die Theorien bestätigen oder falsifizieren können 4. Anpassung der theoretischen Beschreibung Dualismus Welle - Teilchen Welche verschiedenen Ansichten gab es zur Natur des Lichtes? Descartes: Lichtempfinden durch einen Druck, der von der Wirbelbewegung kleiner Stoffteilchen ausgeht, die das All ausfüllen Huygens: Lichtausbreitung durch einen Bewegungszustand in Folge von Stossprozessen im Äther (longitudinale Wellen) Newton: Korpuskeln die von der Lichtquelle ausgehen W. Zinth Physik LMU

19 Lichtgeschwindigkeit und Brechungsgesetz: Descartes/Newton: Vergleich der Brechung mit Wurf eines Balles an Grenzschicht: Annahme 1: Geschwindigkeit zur Oberfläche v bleibt erhalten da keine -Komponente der Kraft, Annahme 2: Geschwindigkeitskomponente zur Oberfläche erhöht, da Medium Teilchen anzieht 1 und 2 ergeben: Brechung zum Lot hin! (Übergang zum dichteren Medium) Geschwindigkeit im (optisch) dichteren Medium größer Falsch!! W. Zinth Physik LMU

20 Huygens: Ableitung des Brechungsgesetzes über Elementarwellen Im optisch dünneren Medium laufen Wellenfronten schneller im optisch dichteren langsamer: Brechung zum Lot sinθ 1 = n sinθ 2 und v 2 / v 1 = 1 / n sin! 1 sin! 2 = "t # v 1 "t # v 2 = n 2 n 1 n 2 > n 1 = 1 gibt: v 2 < v 1 Fermat erhält gleiches Ergebnis durch Extremalprinzip (kürzeste Laufzeit) W. Zinth Physik LMU

21 Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit? (Galilei) W. Zinth Physik LMU

22 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit Astronomische Bestimmung durch O. Römer( ) Verzögerung des "gesehenen" Jupiterdurchgangs um Δt 22 Minuten, bei bekanntem Radius der Erdbahn (AE) ergibt die Lichtgeschwindigkeit c: c = 2 AE / Δt 2, m/s W. Zinth Physik LMU

23 W. Zinth LMU Physik

24 Messung der Lichtgeschwindigkeit im Hörsaal Messung der Laufzeit von Lichtimpulsen mit elektronischen Mitteln: Heute: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als Naturkonstante definiert: ,458 m/s W. Zinth Physik LMU

25 Direkte Messung der Lichtgeschwindigkeit im Medium: v med = c/n W. Zinth Physik LMU

26 19. Jahrhundert: Bestätigung des Wellenbildes durch Interferenzexperimente (Spalt, Doppelspalt) Maxwellsche Gleichungen und deren Lösung Direkte Erzeugung von elektromagnetischen Wellen Ist das nun alles? W. Zinth Physik LMU

27 Planckscher Strahler/Photoeffekt: Teilchenbild des Lichtes in der modernen Physik Beispiel: Lichtnachweis mit Photomultiplier W. Zinth Physik LMU

28 Licht ist ein Strom von Teilchen Energie eines Photons: Energiepakete hν h ist das Plancksche Wirkungsquantum: h = 6, Js Beispiel: Ein Helium-Neon Laser (λ = 632,8 nm) mit Leistung W = 1mW emittiert pro Sekunde n Photonen: n = W h! = W " hc = 10#3 J/ s$ 632,8$ 10 #9 m 6,6$ 10 #34 Js$ 3 $10 8 m / s = 3,2 $ 1015 / s Ist Newton s Hypothese doch korrekt??? W. Zinth Physik LMU

29 Aber Doppelspaltexperiment: wie passt das zum Teilchenbild?? gibt es Teilchen die Interferenzen zeigen?? Was passiert in einem Polarisator?? Quantenmechanik Übergang zum modernen Photonenbild: Licht benimmt sich bei der Ausbreitung wie Welle Emission und Detektion geht aber in Paketen: Photonen W. Zinth Physik LMU

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