Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh Optik

Transkript

1 Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh - 10 Optik

2 Wiederholung : Strom und Magnetismus B = µ 0 N I l Ampère'sche Gesetz Uind = d ( BA) dt Faraday'sche Induktionsgesetz v F L = Q v v ( B) Lorentzkraft

3 Elektrischer Schwingkreis ω = 1 L C Eigenfrequenz T = 2π L C C 2 U 2 + L 2 I 2 = const Energieerhaltung

4 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen Energiezufuhr durch Schalter Meißnersche Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung von ungedämpften Schwingungen

5 Der Verschiebestrom (*) Beim Laden und Entladen eines Kondensators fließt ein Strom der nach dem Ampereschen Gesetz ein ringförmiges Magnetfeld (Wirbelfeld) hervorruft. Maxwell geniale Idee war, das magnetische Wirbelfeld nicht an den Kondensatorplatten enden zu lassen, sondern anzunehmen, dass auch das zwischen den Platten zeitlich veränderte elektrische Feld ein magnetisches Wirbelfeld verursacht.

6 Der Hertzsche Dipol Der Hertzér Original Aufbau Höchste Frequenzen lassen sich bei kleinsten Werten von L und C erzielen. Reduktion des Schwingkreises zum Stab -> Hertz scher Dipol Versuch Dipolstrahlung

7 Das Strahlungsfeld des Hertz`schen Dipols

8 Elektromagnetische Wellen

9 Polarisation Ein senkrecht zum Sendedipol ausgerichteter Empfangsdipol nimmt keine Strahlungsenergie auf. Die Strahlung ist polarisiert. Polarisationsrichtung des Lichts Orientierung des Polarisators. E B Die Transmission der EM Welle hängt vom Polarisationswinkel ϕ ab. el. Feldvektor ϕ E T = E 0 cos(ϕ ) Intensität: I T = I 0 cos 2 (ϕ ) Mikrowellen-Polarisatoren

10 Spektrum elektromagnetischer Wellen:

11 Der Brechungsindex v v E = E sin ν 0 c 0 ( 2π x λ 2π t) = λ ν ν: Frequenz λ: Wellenlänge c: Lichtgeschw. Für die Ausbreitung einer EM Welle in Materie gilt : c = ε r ε 1 0 µ r µ 0 = c ε r 0 µ r = c0 n c0 c = n λ = λ 0 n In der Regel gilt n>1und man spricht von einem optisch dichteren Medium

12 Optische Brechung

13 Optik - Brechung und Totalreflexion: Versuch Totalreflexion

14 Totalreflexion an Luftschichten : Fata Morgana Die erdnahe Luft ist stärker erwärmt und hat einen kleineren Brechungsindex.

15 Wellenlängenabhängige Brechung (Dispersion) n Wellenlänge Normale Dispersion: Blaues Licht (kürzere Wellenlänge) wird stärker gebrochen als rotes Licht (lange Wellenlänge) Versuch : Brechung am Prisma

16 Der Regenbogen Brechung und Reflexion an Wassertröpfchen (Descartes)

17 Brechung an gekrümmten Flächen: Linsen

18 Abbildung mit (Sammel)Linsen :

19 Abbildung mit (Sammel)Linsen : Versuch Linsen

20 Abbildung mit mehreren Linsen :

21 Brechung an gekrümmten Flächen: Linsen

22

23 Fehlsichtigkeit und ihre Korrektur mit Brillengläsern:

24 Optik des Auges:

25 Optische Instrumente : die Lupe Vergrößerung : V = Sehwinkel mit Instr. Sehwinkel ohne Instr. ε = I ε 0 s0 V Lupe = f Sehwinkel ohne Instr. ε 0 = G s 0 Sehwinkel mit Lupe ε L = G f

26 Anwendungen: Mikroskop

27 Der Begriff Vergrößerung wird oft falsch verwendet! Macht die Angabe 400x Sinn? Rote Blutkörperchen haben einen Durchmesser von ca. 10 µm. Abbildungsmaßstab angeben!

28 Optisches Mikroskop Objektiv Okular

29 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

30 Licht als Welle Polarisation (transversale Welle) Interferenz (Überlagerung von Wellen) Beugung (Huygenssches Prinzip)

31 Optische Aktivität Viele organische Substanzen (z.b. Zucker, Stärke, Weinsäure etc.) drehen die Polarisationsebene von linear polarisierten Licht. drehen. (Pasteur,1843) Der Drehwinkel, α, bei Durchgang durch eine Schichtdicke, l, ist gegeben durch: α = α S c l α s : spezifischer Drehwinkel c: Konzentration, l: Probenlänge

32 Biologische Relevanz von Stereoisomerie Rechts/Links Natrium-Ammoniumtartrat Links- und rechtsdrehende Aminosäuren Wirkung von Thalidomid (Contergan) Enantiomere: Moleküle die sich zueinander wie Spiegelbilder verhalten

33 Doppelbrechung In anisotropen Kristallen kann die Lichtgeschwindigkeit von der Ausbreitungsrichtung abhängen. Der Brechungsindex hängt von der Polarisation ab. In optisch einachsigen Kristallen gibt es eine ausgezeichnete Richtung, die optische Achse. Senkrecht zur optischen Achse polarisiertes Licht breitet sich mit anderer Geschwindigkeit aus (n o ), als parallel polarisiertes Licht (n ao ). Optische Achse ordentlicher Strahl: Polarisation senkrecht zum Hauptschnitt außerordentlicher Strahl: Polarisation im Hauptschnitt Hauptschnitt: Ebene, die die optische Achse enthält Versuch Doppelbrechung am Kalkspat

34 Polarisation durch Reflexion - Brewsterwinkel Licht, das in der Einfallsebene polarisiert ist, wird dann nicht reflektiert, wenn zwischen transmittiertem und reflektiertem Strahl ein Winkel von 90 Grad besteht. Dipole strahlen nicht in ihre Orientierungsrichtung. Den entsprechenden Einfallswinkel nennt man Brewsterwinkel. n 1 α B + β B = 90 Die Bedingung α B 90- α B β B 90-β B sin(α B ) = n sin(β B ) sin(α B ) = n sin(α B 90) sin(α B ) = n cos(α B ) n 2 tan( α B ) = n n 2 1 α B : Brewsterwinkel Glas n=1.5 und α B = 56

35 Interferenz Interferenzen gleicher Neigung Interferenzen gleicher Dicke n f 2n d cosϑ = m f f ( + ϕ ) λ 2π Bedingung für konstruktive Interferenz Newton'sche Ringe