2. Optik. 2.1 Elektromagnetische Wellen in Materie Absorption Dispersion. (Giancoli)

Transkript

1 2. Optik 2.1 Elektromagnetische Wellen in Materie Absorption Dispersion

2 2.1.3 Streuung Polarisationsdrehung z.b. Optische Aktivität: Glucose, Fructose Faraday-Effekt: Magnetfeld

3 Doppelbrechender Kristall (Kalkspat): Die Linie auf dem Papier erscheint doppelt mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung (das graue Plättchen ist ein Polarisationsfilter)

4 2.2 Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen Reflexion

5 2.2.2 Brechung Willebrord Snell ( ) Christiaan Huygens ( )

6 Fresnelsche Formeln Augustin Jean Fresnel ( ) Zur Nomenklatur: Index S = Polarisation senkrecht zur Einfallsebene Index P = Polarisation parallel zur Einfallsebene R s R p P S David Brewster ( )

7 Das Prisma: Brechung und Dispersion Zu einer Frage in der Vorlesung: die Phasengeschwindigkeit des Lichts (mit der Wellenberge und Wellentäler fortschreiten) kann größer werden als c, ohne die Aussagen der Relativitätstheorie zu verletzen. Dies gilt nicht für die sog. Gruppengeschwindigkeit, mit der Information transportiert werden kann. (Wie man eine Kohlebogenlampe kaputt macht) Optisches Gitter

8 Regenbogen

9 Das Fermatsche Prinzip Das Licht nimmt den Weg, der die kürzeste Zeit erfordert Pierre de Fermat (1607[?]-1665)

10 2.3 Geometrische Optik Licht strahlen : Ausdehnung >> Wellenlänge Lichtstrahlen sind Geraden (in homogenen Medien) Reflexionsgesetz und Snellius-Gesetz (an Grenzflächen) Strahlen durchdringen sich ungestört (bei nicht zu hoher Intensität) Sphärischer Spiegel mit Brennweite f G B g f b

11 2.3.2 Linse mit Brennweite f

12 2.3.2 Linse mit Brennweite f hier kann man dieselbe Linsengleichung mit Brennweite f < 0 verwenden G G B B g f b b f g

13 2.4 Optische Instrumente Die Kamera z.b. Tessar

14 2.4.2 Das Auge

15 2.4.3 Die Lupe

16 2.4.4 Das Mikroskop

17 2.4.5 Das Teleskop Johannes Kepler ( ) Galileo Galilei ( )

18 Zwei Sammellinsen im richtigen Abstand ergeben ein (Kepler-)Fernrohr. Die Vergrößerung ist das Verhältnis der Brennweiten. Das Bild steht auf dem Kopf (im Hintergrund: Studierende bei der Evaluierung)

19 2.4 Die Wellennatur des Lichts, Interferenz

20 2.4.1 Das Youngsche Doppelspaltexperiment ( )

21 2.4.2 Beugung am einfachen Spalt

22 2.4.3 Beugung am Doppelspalt Beugung am Gitter

23 Beugungsbilder werden beim Durchgang von Laserlicht durch Spalte, Gitter, Blenden etc. erzeugt und über Kamera/Beamer an der Wand dargestellt. 1. Zwei verschiedene Wellenlängen (rot und grün) am gleichen Gitter 2. Beugung am Spalt: weit schmal 3. Beugung an 1, 2, 3, 4, 5 und 6 Spalten (Spaltbreite 0.05 mm, Abstand 0.1 mm) 4. Lochblende erzeugt Beugungsringe

24 2.4.4 Beugung an kreisförmigen Öffnungen - Auflösungsgrenze

25 Klausur Fr Uhr Hörsaal A der Chemie am Martin-Luther-King-Platz Nachklausur Mo Uhr Hörsaal A der Chemie am Martin-Luther-King-Platz Anmeldung zur Klausur Bachelor-Studierende in Chemie sind über die Modulanmeldung zur Klausur angemeldet. Alle anderen melden sich über eine Liste in den Übungen zur Klausur an. Bitte unbedingt Studentenausweis und Lichtbildausweis mitbringen Bei der Klausur ist nur ein Taschenrechner als Hilfsmittel erlaubt

26 Spickzettel Optik (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) Durchgang von Licht durch Materie (z.b. Glas): Absorption (Beersches Gesetz): I = I e 0 Dispersion: α z Absorptionskoeffizient α = αλ ( ) Brechnungsindex n= n( λ) dn "normale" Dispersion: < 0 dλ Streuung (verursacht z.b. das Himmelsblau) Licht an Grenzflächen (z.b. Luft/Glas): Reflexionsgesetz θi = θa sinθ1 n2 Brechnungsgesetz = θ 2 = 90 o sinθ2 n Totalreflexion 1 n2 Brewsterwinkel tanθb = n1 (Reflexion hängt von Polarisation ab. Beim Brewsterwinkel wird Komponente parallel zur Einfallsebene nicht reflektiert) Linsengleichung Sammellinse + = g b f ( f > 0) Streulinse ( f < 0) Wellennatur des Lichts: Huygenssches Prinzip (bzw. Fermatsches Prinzip) Interferenz: Überlagerung von Wellen Beugung am Spalt der Breite a: a sin θ = m λ m= 0 konstruktiv (Maximum) m = 1, 2,3 destruktiv (Minima) an Doppelspalt und Gitter mit Spaltabstand d: d si nθ = m λ m = 0,1, 2, konstruktiv an einer Lochblende mit Durchmesser D: D sinθ = 1.22 λ erstes Minimum Auflösung optischer Instrumente: begrenzt durch Beugungserscheinungen Rayleigh-Kriterium λ sinθ θ = 1.22 D λ λ Mikroskop 2sin θ xmin xmin 2sinθ λ mit Immersionsöl ( n 1.5) xmin 2nsinθ Wichtige optische Instrumente: Kamera, Auge, Lupe, Mikroskop, Teleskop (Strahlengang und Eigenschaften s. Folien)