Was ist Licht? Einmal Welle-Teilchen und zurück

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Regina Geier
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1 Was ist Licht? Einmal Welle-Teilchen und zurück Thomas Walther Laser und Quantenoptik Institut für Angewandte Physik 29. Oktober 2011 Thomas Walther Laser und Quantenoptik TU Darmstadt 1

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3 2

4 Wie entsteht Licht? Temperatur 3

5 Wie entsteht Licht? Lumineszenz Gasentladung Farbstoffzellen 4

6 Wie entsteht Licht? Synchrotronstrahlung Free Electron Laser ESRF Grenoble Synchrotronstrahlung Quelle: FEL TU Darmstadt 5

7 Woher kommt die Farbe? Zunehmende Frequenz Zunehmende Wellenlänge Zunehmende Wellenlänge in nm 6

8 Farben und die Geschlechter 7

9 Unsere Farbwahrnehmung Logarithmische Skala Empfindlichkeitskurven: x( ) y( ) z( ) Wellenlänge / nm H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992)

10 Unsere Farbwahrnehmung Logarithmische Skala ( ) = spektrale Verteilung Wellenlänge / nm H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992)

11 Farbmodell Th. Smith, J. Guild, "The C.I.E. colorimetric standards and their use", Trans. Opt. Soc. 33, 73 ( ) 10

12 Farbmischung Additiv: Subtraktiv: 11

13 Vergleich anderer Farbmodelle 12

14 Al Hazen ( n. Chr.) Kamera obscura, Reflexion, Brechung, Linsen Opticae Thesaurus Alhazeni 13

15 Linsen und Brillen Salvino d Armate Alessandro Spina Roger Bacon (13. Jahrhundert): der Vater der Experimentalphysik Brille aus dem 15. Jahrhundert 14

16 Was ist Licht? Welle oder Teilchen? Christiaan Huygens ( ) Sir Isaac Newton ( ) Robert Hooke ( ) 15

17 Beugung J. Fraunhofer ( ) A. J. Fresnel ( ) 16

18 Beugung Schirm Blende Spaltgröße Lichtquelle ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage,

19 Interferenz - Doppelspaltexperiment Thomas Young ( ) Wasserwellen 18

20 Doppelspaltexperiment ThW, H. Walther; Was ist Licht?; Beck Verlag, 3. Auflage,

21 Elektro-magnetische Wellen James Clerk Maxwell ( ) Existenz von elektro-magnetischen Wellen Licht ist eine elektro-magnetische Welle Heinrich Hertz ( ) 20

Elektro-magnetisches Spektrum http://www1.sura.

22 Elektro-magnetisches Spektrum 21

Erscheinungen Wesen des Lichts Teilchenvorstellung Richard Hook Christian Huygens Thomas Young 1801 Louis Malus,

23 Geschichtlicher Überblick: Licht 17. Jahrhundert Wellenvorstellung Geometrische Optik (Landvermessung) Brechung Wirkung von Linsen Atmosphärische optische Erscheinungen Wesen des Lichts Teilchenvorstellung Richard Hook Christian Huygens Thomas Young 1801 Louis Malus, Polarisation 1808 Augustin Jean Fresnel Joseph Fraunhofer Isaac Newton 19. Jahrhundert Michael Faraday Ende des 19. Jahrhunderts: James Clerk Maxwell Licht ist elektromagnetische Welle Heinrich Hertz

24 Die Situation der Physik vor 1900!Klassische Mechanik!Bewegung, Rotation, Pendel, Planetenbewegung, Schwerkraft! Newton, Kepler, Copernikus, Galilei u.a.!kinetische Gastheorie!Erklärung der Wärmetheorie mit Elementen der Mechanik!Elektrische und Magnetische Felder!Elektrische Felder, magnetische Felder, Strom, Ladungen! Faraday, Maxwell, Hertz, Gauss, Ampere, Volta u.a. 23

25 Stand der Physik um 1900 Grundsätzliche Theorien bekannt Wenige Ungereimtheiten Bessere Experimente werden Lücken füllen Schwarzkörperstrahlung 24

26 Entwicklung der Quantenphysik Energiedichte eines strahlenden Körpers (Wärmestrahlung) Paschen Lummer ~1900 Pringsheim 25

27 Ultraviolett-Katastrophe Ultraviolett-Katastrophe Strahlungsintensität Rayleigh-Jeans Gesetz Wellenlänge in nm 26

28 die Geburtsstunde der Quantenmechanik Energie E = h f Frequenz Plancksches Wirkungsquantum Nur eine andere Gleichung hat die gleiche Bedeutung 1905 E = mc 2 Albert Einstein 27

29 Plancksches Wirkungsquantum h h = Js = Js h hat sehr kleinen Wert keine Bedeutung für tägliche Erfahrung 28

30 Rasante Entwicklung der Quantenphysik 1905 A. Einstein 1913 N. Bohr Erklärung des Photoeffektes durch Existenz von Lichtteilchen (Photon) Atommodell 1916 A. Sommerfeld Erweiterung des Atommodells 1925 W. Heisenberg E. Schrödinger P. Dirac Matrizenmechanik Wellenmechanik Quanten-Algebra Äquivalente Formulierungen 29

31 5. Solvay Konferenz

32 Doppelspaltexperiment ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage,

33 Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen? 32

34 Doppelspaltexperiment: Komplementarität Interpretation nach Wheeler Lichtquelle 33

35 Der Doppelspalt (Drawing by Chas. Addams; 1940 The New Yorker Magazine, Inc.) 34

36 Diskussion zwischen Bohr und Einstein Welle-Teilchen Dualismus Entscheidung durch das Experiment 35

37 Quantenphysik: Licht (Einstein 1917) A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, (1917) 36

38 Quantenphysik: Licht (Einstein 1917) Absorption Emission Spontane Stimulierte A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, (1917) 36

39 Funktionsweise des Lasers LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Stimulierte Emission Laserlicht Spiegel Spiegel Spontane Emission gerichtet große Reichweite, hohe Leistungsdichte monochromatisch Selektivität kohärent spezielle Meßmethoden 37

40 16. Mai Der erste Laser >50 Jahre Laser Theodore Maiman Erfinder des Rubinlasers (1960) 38

41 Laser heute Ti:Saphir Laser Faserverstärker NIF, Livermore, California VCSEL 39

42 Alltag ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Wissen, 3. Auflage (2010) 40

43 Temperaturskalen 41

44 Strahlungsdruck Licht = Teilchen Energie Impuls Strahlungsdruck makroskopisch: Kometenschweif mikroskopisch: Kühlen von Atomen Atom ω Beschleunigung entspricht etwa 10,000mal Erdbeschleunigung 42

45 Magneto-Optische Falle Abbremsen Geschwindigkeitsabhängige Kraft Einfangen Ortsabhängige Kraft Kris Helmerson, NIST, Gaithersburg 43

46 Verteilung Verteilung Verdampfungskühlung in Magnetfalle Energie Energie 44

47 Bose-Einstein Kondensation Ketterle et al., MIT, Boston 45

48 Bose-Einstein Kondensat Satyendra Nath Bose Atome mit gleicher Geschwindigkeit BEC: Atome mit gleicher Geschwindigkeit und Phase ( Gleichschritt ) 46

49 Bose-Einstein Kondensat Satyendra Nath Bose Atome mit gleicher Geschwindigkeit BEC: Atome mit gleicher Geschwindigkeit und Phase ( Gleichschritt ) 46

50 BEC: kohärente Materiewellen Trennen eines BEC in 2 Anteile Freie Expansion Abbildung durch Lichtabsorption Gegenseitiges Durchdringen der Anteile führt zu Interferenzerscheinungen Ketterle et al, Boston 47

51 Welle-Teilchen Dualismus Louis de Broglie Wellenlänge λ = Plancksches Wirkungsquantum h m v Masse Geschwindigkeit Entscheidung durch das Experiment 48

52 Welle-Teilchen Dualismus im Alltag Masse Größe Geschwindigkeit Wellenlänge kg 4 m 50 km/h m 0,420 kg 22 cm 100 km/h m kg m 720 km/h m kg m 4 km/h m 49

53 Zusammenfassung Licht im Wandel der Zeit Grundlagenforschung ist unverzichtbar Licht ist Welle und Teilchen Experiment(ator) entscheidet Manipulation einzelner Atome ist möglich Innere und äußere Freiheitsgrade Optik ist modern Vielzahl von Anwendungen 50

54 Emu Träume 51

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Inhaltsverzeichnis. Vorwort. Gliederung des Gesamtwerkes V Vorwort X Gliederung des Gesamtwerkes XII Historische Aspekte zur Lichtausbreitung 1 Das Heron sche Prinzip Reflexion an ebenen und gekrümmten Flächen 1 2 Ansätze von Descartes, Anwendungen auf Brechung