Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh - 10a Optik 15.01.2007 1
Licht als elektromagnetische Welle 2
E B Licht ist eine elektromagnetische Welle 3
Spektrum elektromagnetischer Wellen: 4
Polarisation Ein senkrecht zum Sendedipol ausgerichteter Empfangsdipol nimmt keine Strahlungsenergie auf. Die Strahlung ist polarisiert. Polarisationsrichtung des Lichts Orientierung des Polarisators. E B ϕ Die Transmission der EM Welle hängt vom Polarisationswinkel ϕ ab. elektrischer Feldvektor: Intensität: E T = E 0 cos φ I T = I 0 cos 2 φ Mikrowellen-Polarisatoren 5
Der Brechungsindex E = E 0 sin(2πx/λ 2πνt) c 0 = λ ν v: Frequenz λ: Wellenlänge c: Lichtgeschw. Für die Ausbreitung einer EM Welle in Materie gilt : In der Regel gilt n > 1 und man spricht von einem optisch dichteren Medium 6
Optische Brechung 7
Optik - Brechung und Totalreflexion: Versuch Totalreflexion 8
Totalreflexion an Luftschichten : Fata Morgana Die erdnahe Luft ist stärker erwärmt und hat einen kleineren Brechungsindex. 9
Wellenlängenabhängige Brechung (Dispersion) n Wellenlänge Normale Dispersion: Blaues Licht (kürzere Wellenlänge) wird stärker gebrochen als rotes Licht (lange Wellenlänge) Versuch : Brechung am Prisma 10
Der Regenbogen Brechung und Reflexion an Wassertröpfchen (Descartes) 11
Brechung an gekrümmten Flächen: Linsen 12
Abbildung mit Linsen: 13
Abbildung mit Linsen : Versuch Linsen 14
Abbildung mit mehreren Linsen : 15
Linsenfehler 16
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Fehlsichtigkeit und ihre Korrektur mit Brillengläsern: 18
Optik des Auges: 19
Optische Instrumente : die Lupe Vergrößerung : V = Sehwinkel mit Instr. Sehwinkel ohne Instr. Sehwinkel ohne Instr. Sehwinkel mit Lupe 20
Anwendungen: Mikroskop 21
Der Begriff Vergrößerung wird oft falsch verwendet! Macht die Angabe 400 x Sinn? Rote Blutkörperchen haben einen Durchmesser von ca. 10 µm. Abbildungsmaßstab angeben! 22
Optisches Mikroskop Objektiv Okular 23
Konfokale Fluoreszenzmikroskopie 24
Licht als elektromagnetische Welle Polarisation (transversale Welle) Interferenz (Überlagerung von Wellen) Beugung (Huygenssches Prinzip) 25
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 26
Biologische Relevanz von Stereoisomerie Rechts/Links Natrium-Ammoniumtartrat Links- und rechtsdrehende Aminosäuren Bsp. Thalidomid (Contergan) Enantiomere: Moleküle die sich zueinander wie Spiegelbilder verhalten 27
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 28
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 Aus der Bedingung α B + β B = π/2 1 90-90- sin α B = n sin β B sin α B = n sin(α B π/2) sin α B = n cos α B n 2 tan α B = n 2 n 1 α B : Brewsterwinkel Glas n=1.5 und α B = 56 29
Interferenz Interferenzen gleicher Neigung Interferenzen gleicher Dicke n f 2n f d cos θ f = ( m + φ ) 2π λ Bedingung für konstruktive Interferenz Newtonsche Ringe 30
Michaelson-Interferometer 31
Huygens-Fresnel'sches Prinzip Jeder von einer Welle erregte Punkt wird selbst zum Ausgangspunkt einer neuen Kreis-/Kugelwelle. 32
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Gitterspektrometer 2d sin θ = mλ λ λ = m N N : Anzahl Gitterstreifen m : Ordnung 34
Anwendung: Gitterspektrometer Benzol Xylol Auflösung eines Gitterspektrometers: Wann kann man 2 Peaks noch voneinander trennen? 35
Beugung an einer kreisrunden Öffnung D Lage des ersten Beugungsminimums φ min = 1.22 λ D 36
Auflösungsbegrenzung durch Beugung: Für zwei selbstleuchtende Objekte ist der kleinste auflösbare Abstand Δx : x min = 0.61 λ n sin α Wobei λ die Wellenlänge und n sin α die numerische Apertur ist. (α: Öffnungswinkel der Linse) 37