4. Elektromagnetische Wellen

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1 4. Elektromagnetische Wellen 4.1. elektrische Schwingkreise Wir haben gesehen, dass zeitlich veränderliche Magnetfelder elektrische Felder machen und zeitlich veränderliche elektrische Felder Magnetfelder. Das wollen wir in einem exemplarischen Schwingkreis genauer behandeln.

2 Wellengleichung für E- und B-Feld

3 Elektromagnetische Wellen (Spektrum)

4 4.2. Wellenoptik d 2 E/dx 2 = 0 0 d 2 E/dt 2 Die Welle hat eine Geschwindigkeit von 1/( 0 0 ) 1/2 = 3*10 8 m/s Das ist die Lichtgeschwindigkeit! In Materie ergibt sich eine andere Geschwindikeit mit einem Faktor ( ) 1/2 : Das beschreibt die optischen Eigenschaften

5 Was ändert sich nicht beim Uebergang von einem Medium ins andere? A B C D der Brechungsindex die Wellenlänge die Wellengeschwindigkeit die Frequenz

6 Brechungsindex und das Snellsche Gesetz

7 Interferenz - Doppelspalt konstruktiv n = dsin destruktiv (n+1/2) = dsin

8 Interferenz Farben

9 Auf kleinen Skalen hat der Flügel periodische Strukturen, die das Licht brechen und relektieren 30 m 1.6 m 1.5 m

10 Je nach Wegunterschied, interferiert das Licht konstruktiv oder destruktiv

11 Wenn die Dicke der Schicht etwa der Wellenlänge entspricht, kann Interferenz auftreten konstruktive Interferenz destruktive Interferenz Wenn wir die Lichtpfadlänge berechnen erhalten wir konstruktive Interferenz für (m+1/2) = 2 d n

12 Für viele Schichten in Reihe ergibt das eine scharfe Reflektivität für bestimmte Wellenlängen

13 Wie ändert sich die grüne Farbe der Pfauenfeder wenn Alkohol darauf kommt? A B C D sie wird rot-orange sie wird blau sie wird durchsichtig gar nicht

14 Der gleiche Effekt verleiht Seifenblasen und CDs ihren Schimmer

15 Der Glory-Effekt oder Heiligenschein Das ist ein Beugungsmuster und kein Regenbogen! Die Winkelöffnung ist durch die Teilchengrösse gegeben

16 Beugung am Spalt

17 Intensitätsverteilung

18 Hat die Auflösungsgrenze eines Mikroskops zur Folge

19 4.3. Polarisation

20 Polarisation durch Reflexion

21 Polarisation durch Doppelbrechung

22 Photoelastizität

23 Orientierung der Polarisation ist wichtig

24 Navigation mit Polarization: Wüstenameise Cataglyphis

25 Schnelle Rückkehr zum Nest

26 Polarization durch Streuung im Himmel (Rayleigh Streuung)

27 Polarisationsmuster

28 Streuung vor allem im Blauen gibt die Farbe des Himmels

29 Anatomie der Ameisenaugen zum Polarisationssehen

30 Geordnete Strukturen um polarisiertes Licht zu sehen

31 Findet eine Ameise die nur im grünen sieht nach Hause? A B C Nein Ja nur am Mittag

32 Funktioniert nur im nahen UV gegeben durch Wellenlängenabhängigkeit der Streuung

33 4.4. geometrische Optik und Mikroskopie Einfache Beschreibung an Grenzen durch Strahlen Brechung und Reflexion

34 Was passiert wenn Sie Licht im Winkel sin( ) = 1/n aus einem Medium herausschicken? A B C D Das Licht in der Luft ändert die Farbe Das Licht kommt nicht aus dem Medium heraus Es kommt besonders viel Licht heraus Nichts besonderes

35 Linsen gekrümmte Grenzflächen

36 Wie wirkt die konvexe Linse in Wasser? A B C Als Sammellinse Als Streulinse gar nicht

37 Mikroskop eine Linse

38 Das Auge

39 Moderne Mikroskope brauchen zwei Linsen

40 Möglich nötige Korrekturen von Farbabhängigkeit des Brechungsindex und sphärischer Abberation (Verschmierung durch grossen Oeffnungswinkel)

41 Korrektur durch parallele Lichtbündel in modernen Objektiven

42 Wie steht das Bild in einem Hohlspiegel? A B C Aufrecht Auf dem Kopf das kommt auf den Abstand an

43 Wieviele Bilder sehen Sie in einem doppelten Spiegel? A B C D E Eins Zwei Drei Vier keins

44 Konfokalmikroskop Meist in Verbindung mit Fluoreszenz-Mikroskopie

45 Epi-Fluoreszenz Mikroskop Dichroider Spiegel (Interferenzeffekt - Schmetterlingsflügel) reflektiert blaues Licht, aber lässt grünes durch

46 Neue Entwicklungen Zwei Photonen Mikroskopie Prinzip fluoro schwächste absorption 2 NIR Photonen gleichzeitig absorbiert

47

48 Was fällt auf an der Intensitätsverteilung eines Regenbogens? A B C Nichts Innen heller als Aussen Aussen heller als Innen

49 Regenbogen

50 Einzelner Regentropfen

51

52 Ist ein Regenbogen polarisiert? A B C D Nein Das kommt auf den Blickwinkel an Ja, tangential zum Bogen Ja, radial zum Bogen

53 4.5. Absoptionsprozesse Licht kann Elektronenschwingungen anregen. Wenn die frequenz resonant ist, wird das licht absorbiert

54 Absorption in der Atmosphäre

55 Pigmente

56 Welche Farbe erhalten Sie wenn Sie blaues und grünes Licht mischen? A B C D E rot gelb violett cyan orange

57 Absorption im Auge

58 Fluoreszenz Vibrationszustände

59 Welche Farbe muss Licht haben um einen gelb fluoreszierenden Stoff anzuregen? A B C D E rot gelb ultra-violett infrarot grün

60 Bekannte fluoreszente Biomarker Green fluorescent protein (GFP)