Protokoll vom 28.11.2016

28/11/16
PHYSIK
Margarete und Eva
Kapitel 2 – Das Licht und sein Spektrum
Zu Beginn des Kurses klären wir ofene Fragen:
• Was für Leuchtstofe befnden sich in Leuchtröhren? Thorsten verweist auf ein Zitat von
Wikipedia, welches er auf dem Protokoll der letzten Stunde abgedruckt hat.
• Der Glaskörper an sich ist innen beschichtet, sodass das Licht nicht ultraviolet ist (wie das
Gas), sondern die uns bekannte oder andere beliebige Farben annimmt.
• Thorsten hat noch einmal Spektroskope mitgebracht. Man kann mit ihnen aber nicht
herausfnden, mit welchem Leuchtstof die Leuchtröhren beschichtet sind.
Wiederholung: 2.5 – Das Spektrum
• Thorsten legt als Folie ein Sonnenspektrum auf. Er zeigt die schwarzen Linien, die man auf
der Darstellung erkennt: hier können wir sehen, dass auch Licht von der Sonnen- oder
Erdatmosphäre verschluckt wurde. Anhand der schwarzen Linien und der Linienmuster will
man herausfnden, was für Elemente vorliegen.
Welche Elemente sind es, die wir über das Spektrum erkennen können?
→ Spektroskopiker arbeiten mit einem Katalog, anhand dessen sie erkennen können, um
welches Element es sich handelt. Jedes Element hat seinen eigenen „Fingerabdruck“,
welcher nahezu eindeutg für jedes Element ist. Es ergeben sich aber immer
Ungenauigkeiten, die eine Bestmmung der Elemente sehr erschweren. Diese können
durch Isotope oder durch Unterschiede in der Elektronenanzahl entstehen. Ein Beispiel
hierfür ist Helium, welches sich mit einem Elektron ähnlich wie Wasserstof verhält.
• So ist nur ein grobes Arbeiten möglich. Deshalb nutzt man heute Simulatonen, welche auf
der Basis von bekannten Informatonen (Planetengröße, Temperatur) Spektren
„produzieren“. Die tatsächlich gemessenen Spektren werden dann mit den Modellspektren
abgeglichen.
• Das Messen von Spektren und „Finden“ von Elementen wird beispielsweise in der Medizin
angewandt (auch Molekülspektroskopie).
• Man kann in jedem Wellenlängenbereich beobachten, manchmal macht es aber Sinn, nur
mit einem bestmmten Bereich zu arbeiten. Welcher das ist, entscheidet man u.a. abhängig
von dem untersuchten Stof. Es erleichtert die Arbeit, ein gewisses Vorwissen zu haben.
• Worin unterscheidet sich das für uns sichtbare Licht von dem für uns unsichtbaren? (Bsp.
Radiowellen, Gammastrahlen)
→ je kurzwelliger das Licht ist, desto energiereicher ist es auch. Gammastrahlen u.a. sind
kurzwelliger als das für uns sichtbare Spektrum.
→ langwellige Strahlen sind beispielsweise Radiostrahlen. Sie können bis zu einem
Kilometer lang sein.
• Vergleichen wir das Spektrum eines glühenden Stückes Metall mit dem Licht einer Lampe,
welche Farben fnden wir?
→ Wir fnden eine kontnuierliches Temperaturstrahlung mit allen Längenwellenbereichen.
• Wie war das noch einmal mit der Temperaturstrahlung?
→ Die Elektronen bewegen sich bei steigender Temperatur immer schneller. Jedes Elektron
ändert ständig seine Richtung und ist dadurch unterschiedlich stark beschleunigt. So
entsteht ein elektromagnetsches Feld, welches Licht emitert.
• Das Strahlungsmaximum eines Stück Eisens liegt im Infrarotbereich. Eisen glüht bei ca.
2000 °C und erscheint für das menschliche Auge gelb.
• Wo liegt das Strahlungsmaximum eines sehr kalten Gegenstandes?
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Margarete und Eva
→ es liegt im Bereich der Mikrowellenstrahlung (im Centmeterbereich). Thorsten zieht den
Vergleich zum kalten Weltraum (2,7 K).
Was würde die Mikrowellenstrahlung im Weltraum mit uns anrichten, wenn wir sie nutzen
könnten?
→ es gibt zu wenig davon, als dass man sie efektv nutzen könnte. Allerdings könnte man
sie mit einem Apparat bündeln und somit beispielsweise Erhitzungsprozesse ausführen.
Kann man das Strahlungsmaximum eines Gegenstandes bei einer bestmmten Temperatur
herausfnden?
→ Ja, mit Hilfe des Wienschen Verschiebungsgesetzes.
2.6 Dualität des Lichts
• Schon im 17. Jahrhundert streiten sich die Physiker Newton und Huygens, ob es sich bei
Licht um Teilchen oder Wellen handelt. Newton vertrit die Teilchen-Theorie. Weil er
berühmt ist, gilt seine Theorie als die Richtge. Es dauert noch eine Weile, bis man
experimentell herausfnden kann, was richtg ist.
• Heute weiß man: Licht hat Eigenschafen eines Teilchens, aber auch die einer Welle. Es gibt
kein entweder/oder, sondern beides!
• Man kann die Eigenschafen experimentell mit Hilfe des Photoefekts (Teilchen) bzw. der
Interferenz (Welle) beweisen.
• Auch das normale Teilchen (Elektron) hat beide Eigenschafen: Welle und Teilchen.
• 1924 hat der Physiker Louis de Broglie (gesprochen de Broij) den Wellencharakter von
Teilchen theoretsch nachgewiesen (Materiewelle).
• Claus Jönsson beweist die Materiewelle 1957 experimentell (in Tübingen!). Der Photoefekt
ist entdeckt.
• Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit: p=mXv
→ Je schwerer etwas ist, desto mehr „Wumms“ hat es beim Einschlag. Ebenso hat es mehr
„Wumms“, wenn wir die Geschwindigkeit erhöhen.
Mit Hilfe dieser Formel können wir Materiewellen bestmmen: Unter Zuhilfenahme der
relatvistschen Formel können wir die Wellenlängen des Lichts oder von Elektronen
ausrechnen.
• Unser sichtbares Licht reicht nur bis zu einem Bereich von 400 nm (Wellenlänge). Die
Elektromikroskopie macht sich die Materiewellen zu nutze, die sehr viel kleiner sind,
sodass genauere Abbildungen entstehen können.
• Computerchips werden kleiner bzw. können mehr speichern. Dies hat damit zu tun, das
man mit immer kleineren Wellenlängen arbeitet. Die Idee ist heute, mit Materiewellen
noch mehr „Speicherplatz“ zu schafen.
2.6.1 Der Photoefekt: Licht als Teilchen
• Versuchsaufau
• Die Zinkplate wird mit einem Hochspannungserzeuger elektrisch aufgeladen (2500
Volt).
• Das Elektroskop is als Ladungsmesser an die Plate angeschlossen.
• Die Zinkplate wird mit der Ultravioletlampe beleuchtet.
→ UV-Lichtquelle: unterhalb von 300 nm Wellenlänge ungefltert.
• Ergebnis:
• Wenn die Zinkplate positv geladen ist, wird durch die Einstrahlung des UV-Lichts
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keine Ladungsänderung angezeigt.
Wenn die Plate negatv geladen ist, entlädt sie sich durch die Einstrahlung des
Lichts.
Auswertung:
Was zeigt uns das jetzt – Welle, Teilchen oder gar nichts?
▪ Das Licht setzt die Elektronen aus der Plate frei. Die Energie der freiwerdenden
Elektronen hängt nicht von der Intensität des Lichtes ab. Jedoch hängt die Menge
der austretenden Elektronen von der Intensität ab. Dies spricht für das Bild von
Licht als Teilchen (im Gegensatz zur Welle).
▪ Experimentert man mit verschiedenen Lampen und Lichtntensitäten , fndet man
heraus, dass es eine Grenzwellenlänge gibt, ab der das Experiment funktoniert.
Jedes Material hat eine eigene charakteristsche Mindestwellenlänge.
Lichtntensitäten bei Wellen sind ihre Amplitude, wohingegen die Lichtntensität im
Teilchenmodell durch die Anzahl der Teilchen pro Sekunde defniert ist. Daraus
schließen wir, dass in diesem Experiment von der Teilcheneigenschaf des Lichts
ausgegangen werden muss.
• Es werden nicht (oder kaum) Elektronen aus den Atomen herausgeschlagen,
sondern nur die leicht aufgesetzten Ladungen. Grundsätzlich besteht aber bei
geladenen Atomen immer eine Mischung zwischen leicht aufgesetzten und fester
gebundenen Elektronen.
Achtung!
▪ Das Experiment kann nicht funktonieren, wenn die Luffeuchtgkeit zu hoch ist und
die Plate sich deshalb entlädt. Diese Ausrede darf man bei Physiklehrern aber nur
gelten lassen, wenn es sich um elektrostatsche Experimente handelt!
Allgemeines:
• früher hat man die Zinkplate mit Hilfe eines Katzenfelles und eines Kunststofstabes
(negatv) bzw. eines Porzellanstabes (positv) aufgeladen. Gerne wurde das
Experiment so im Schulunterricht durchgeführt. Mitlerweile darf man aufgrund
einer EU-Verordnung keine neuen Katzenfelle mehr verwenden.
• Albert Einstein erklärte 1905 mit seiner Lichtquantenhypothese den im Versuch
gezeigten Efekt: Er spricht von Photonen oder auch Lichtquanten.
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2.6.2 Interferenz: Das Licht als Welle
• Interferenz ist bei zwei übereinander gelagerten Wellen zu erkennen.
→ Liegt Wellenberg auf Wellenberg, entsteht eine konstruktve Interferenz: die
Wellen verstärken sich.
→ Liegt Wellenberg auf Wellental, entsteht die destruktve Interferenz: Die Wellen
gleichen sich aus. Es ist kein Licht zu sehen.
• Thorsten erläutert die auf dem Skript dargestellten Schaubilder von Wellen. Als
Beispiel für ein besseres Verständnis nutzt er zuerst Wasser, anschließend Schall.
Er zeigt eine Darstellung von zwei Schallwellen zweier Lautsprecher, anhand derer
man die konstruktve und destruktve Interferenz sehr gut erkennen kann. Die
gegenseitge Beeinfussung der Schallwellen führt auch zu einer unterschiedlichen
Verteilung. Ein Wissen darüber kann bei Konzerten hilfreich sein. Die Lautsprecher
spielen beide einen reinen Sinus-Ton.
• Wir wenden das Wasser/Schall – Beispiel auf Licht an.
Dabei nehmen wir ein Dia mit feinen Spalten und nutzen als Energiequelle
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Laserlicht.
Das Laserlicht trif auf die Spalten, sodass die Spalten quasi zur Lichtquelle werden.
→ Es gibt mehrere Spalten, also auch mehrere Quellen: Es müsste also eine
Interferenz entstehen.
Es entsteht ein „Linie“ an der Tafel, welche durch dunkle Stellen durchbrochen ist.
Hell bedeutet konstruktv, dunkel bedeutet destruktv.
Es ist eine unterschiedliche Gesamtntensität zu erkennen. Innen ist sie extrem hell,
nach außen hin wird sie immer schwächer.
Dieser Versuch kann nur mit der Wellentheorie funktonieren.
Das Licht bzw. Strahlung besteht nur in der Dualität von Teilchen und
Wellencharakter. Allerdings kennt Thorsten kein Experiment, mit welchem man
sowohl die Wellenform, als auch gleichzeitg die Teilchenform nachweisen kann.
2.7 Die Maxwell – Gleichungen
• Die Maxwell-Gleichungen beschreiben die Ausbreitung von elektromagnetschen Wellen
(Licht). Es gibt verschiedene Schreibweisen: integral und diferental. Die Variablen stehen
für...
→ B : Magneteld
→ E : Elektrisches Feld
→ A : Fläche
→ s : Weg
→ Q : elektrische Ladung
(wenn man die Strecke nach der Zeit ableitet, kommt man auf die Geschwindigkeit. Die
Ableitung der Ableitung ergibt die Beschleunigung.)
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erste Gleichung: Durch ein elektrisches Feld, das sich zeitlich verändert, entsteht ein sich
ebenfalls zeitlich veränderndes magnetsches Feld.
Der umgekehrte Vorgang wird in der zweiten Formel deutlich.
Die drite Gleichung sagt aus: elektrische Felder haben eine Quelle (die elektrische Ladung)
von der das Feld ausgeht.
Im Gegensatz dazu haben magnetsche Felder keine Quelle, sie zwei Pole und sind immer
miteinander verbunden. Dies beschreibt die vierte Formel.
Beim Thema Fundamentalkräfe besteht die Theorie, dass es magnetsche Monopole
(Quellen magnetscher Strahlung, einzelne Magnetpole) gibt. Man müsste dann die vierte
Maxwellgleichung modifzieren.
d/dt ist die Schreibweise der Zeitableitung in der Physik und wird als Operator auf etwas
angewandt. „d“ kommt von Delta und kann somit nicht aus der Gleichung gekürzt werden.
Fragen:
• Joachim fragt, was man erhält, wenn man das Integral des Weges berechnet. Dabei handelt
es sich um ein geschlossenes Wegintegral.Das Problem: Ich integriere nicht den Weg,
sondern das Magneteld auf diesem Weg (geschlossen). Das Integral von ds müsste eine
Fläche ergeben.
• Wieso steht bei der zweiten Gleichung ein Minus vor dem Operator? Wegen des
Faradayschen Induktonsgesetzes und der Lenzschen Regel: Der aufgrund einer
Induktonsspannung fießende Induktonsstrom ist so gerichtet, dass sein Magneteld der
Änderung des Primärfeldes bzw. primären Induktonsfusses entgegenwirkt.