2,25 MB pdf-Datei - Physik am Samstag
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Von der Kerze zum Laser: Die Physik der Lichtquanten Jörg Weber Institut für Angewandte Physik/Halbleiterphysik Technische Universität Dresden Was ist Licht? Wie entsteht Licht? Anwendungen und offene Fragen Was ist Licht? Sir Isaac Newton (1642 – 1727) Weisses Licht besteht aus Teilchen, die man mit einem Prisma trennen kann. Sonnenlicht warme Emissionslinien Spektrum Spektrum 2 Gaswolke kalte Kontinuierliches Spektrum Absorptions Spektrum Licht ist eine Welle Christiaan Huygens (1629-1695) Robert Hooke (1635 - 1703) sin α =n sin β n Brechzahl Interferenz - Doppelspaltexperiment Thomas Young (1773-1829) Wasserwellen Interferenz am Doppelspalt Interferenzexperiment beweist Wellencharakter James Clerk Maxwell (1831-1879) Licht ist eine elektromagnetische Welle Heinrich Hertz (1857-1894) elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Welle Polarisation λ c = λ f c = 300 000 km/s Licht Teilchenvorstellung Isaac Newton Wellenvorstellung Richard Hook Christian Huygens Thomas Young 1801 Louis Malus, Polarisation 1808 Augustin Jean Fresnel Joseph Fraunhofer Erklärung der elektromagnetischen Erscheinungen: Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Hertz 1888 19. Jahrhundert: Licht ist elektromagnetische Welle Stand der Physik 1900 Grundsätzliche Theorien bekannt Wenige Ungereimtheiten Bessere Experimente werden Lücken füllen Kerzenlicht Wasserdampf Kohlendioxid Glühender Russ Kohlenstoff, C 1000 °C Foto NASA sauerstoffarme Zone mit Gas Paraffin C20H42 Strahlungsintensität eines heißen Körpers Paschen Lummer ~1900 Pringsheim Modellvorstellung: „schwarzer Körper“ UltraviolettKatastrophe RayleighJeans-Gesetz sichtbar Strahlungsintensität Ultraviolett-Katastrophe in der klassischen Physik Plancksches Strahlungsgesetz Wellenlänge Å Beginn der Quantenmechanik Max Planck E = h f Energie Frequenz Planck‘sches Wirkungsquantum h = 6.627 × 10-34 Js Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt Annalen der Physik 1905 Auch die elektromagnetische Strahlung ist quantisiert, A. Einstein die Strahlungsenergie ist nur in Energieportionen zu haben mit der kleinsten Portion E = hf. Die Portionen sind die Lichtteilchen (Lichtquanten = Photonen). Elektronen Strom Photoeffekt Energie der Photonen: E = h f Energie der Elektronen Intensität des Lichts Frequenz Planck über Einstein 1913: “Daß er in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie z.B. mit der Hypothese der Lichtquanten, wird man ihm nicht allzu schwer anrechnen dürfen; denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, läßt sich auch in der exakten Naturwissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.” Zeit nach der Quantenhypothese von Planck 1905 A. Einstein Erklärung des Photoeffektes durch Existenz von Lichtteilchen (Photon) 1913 N. Bohr Atommodell 1916 A. Sommerfeld Erweiterung des Atommodells 1925 W. Heisenberg E. Schrödinger P. Dirac Matrizenmechanik Wellenmechanik Quanten-Algebra Äquivalente Formulierungen der Quantenmechanik Absorption Spontane Emission Stimulierte Emission Schema eines Lasers Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1. lasendes Medium Festkörper, Gas,... 2. (optisches) Pumpen Licht, anderer Laser, Stösse im Gas,... 3. optischer Resonator Verstärkung für stimulierte Emission monochromatisch gerichtet kohärent Emission dauert tc<10-8s: kohärente Wellenzüge der Länge lc = tc/c < 1m weisses Licht nur lc ≈ 1mm Röntgenstrahlen Röntgenbeugung Interferenz mit einzelnen Photonen Der Doppelspalt (Drawing by Chas. Addams; © 1940 The New Yorker Magazine, Inc.) Erwin Schrödinger Gedankenexperimente: Entstehung von verschränkten Systemen Schrödingers Katze Quantenphysik widerspricht dem „gesunden Menschenverstand“ Neu: Zufall, Überlagerung, Verschränkung Für den Rest meines Lebens will ich nachdenken, was Licht ist. (A. Einstein 1916) Ich denke, ich kann sicher sagen, dass heute niemand die Quantenphysik versteht. (R. Feynman) FAZIT: Licht ist Welle und Teilchen Experiment(ator) entscheidet Material zum Vortrag: T. Walther, H. Walther: Was ist Licht? Verlag C.H. Beck A. Zeilinger: Einsteins Schleier: Verlag GOLDMANN R. Feynman: QED – Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Verlag Piper Wikipedia und Ref. im WWW
