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Optik(óptica, la)
12.1
Emission und Absorption von Licht
12.1.1Was ist Licht?
A1:
Diskutiere:
Welche Eigenschaften des Lichtes könnte man messen?
Wie können wir Licht sehen?
Woraus besteht Licht?
Kurze geschichtliche Entwicklung der Lichttheorien:
Schon in der Antike machte man sich Gedanken über das Licht!
All diese Ansichten über das Licht in der Antike hatten die Vorstellung von der geradlinigen
Ausbreitung des Lichtes gemeinsam.
Ob das Licht Teilchen oder Welleneigenschaften hat, war seit dem ausgehenden 17. Jhdt.
heftig diskutiert.
Befürworter der Teilchentheorie war Isaac Newton.
Hauptbefürworter der Wellentheorie waren Christian Huygens und Robert Hooke.
100 Jahre lang wurde die Theorie von Newton akzeptiert.
Doch im Jahre 1801 erhielt die Wellentheorie durch die Arbeiten von Thomas Young mehr
Gewicht. Er beschrieb Interferenzen als Wellenphänomen, das bei Lichtwellen auftritt.
!850 wies Jean Foucault experimentell nach, dass die Lichtgeschwindigkeit im Wasser
kleiner ist als in Luft. Damit war die Teilchentheorie von Newton widerlegt.
Im Jahr 1860 veröffentlichte James Clerk Maxwell seine Theorie über den
Elektromagnetismus. Diese konnte man dazu verwenden um Interferenz und Beugung von
Licht zu beschreiben. Was wiederum die Wellentheorie stärkte.
Die Wellentheorie konnte aber nicht die Wechselwirkung mit Materie beschreiben.
Dies gelang Anfang des 20. Jhdt. Albert Einstein, indem er dem Licht wieder
Teilcheneigenschaft zuschrieb.
Die Lichtteilchen werden Photonen genannt.
Die Energie der Photonen hat er mit der berühmten Formel E = h .f beschrieben.
Einteilung der Optik:
•
Geometrische Optik
•
Wellenoptik
•
Photonen (Lichtteilchen)
•
Quantenelektromechanik
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Abb1: Geometrische Optik
Abb2: Wellenoptik
12.2 Gesetze für Reflexion(reflexión, la) und Brechung(refracción, la)
A1:
Zeichne das Verhalten eines Lichtstrahls der auf ein Glas trifft ein und beschrifte die
Zeichnung!
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A2:
Formuliere ein Gesetz für die Reflexion von Licht!
Brechungsgesetz
Für den Einfallswinkel α und den Brechungswinkel(ángulo (el) de refracción) β gilt:
sin α n 2 c1
=
=
sin β n1 c 2
n1…Brechungsindex (índice (el) de refracción) des 1 Mediums
n2… Brechungsindex (índice (el) de refracción) des 2 Mediums
c1...Ausbreitungsgeschwindigkeit (velocidad (la) de propagación)
im Medium 1
c2…Ausbreitungsgeschwindigkeit (velocidad (la) de propagación)
im Medium 2
Der Brechungsindex der Luft unter Normalbedingungen ( T = 273,15K und p =1,0132 bar)
hat den n0 = 1,000272. Im Vakuum ist der Brechungsindex n = 1.
V1:
Brechung von Lichtstrahlen!
Lege eine Münze in einen Becher und positioniere die Münze so, dass du sie gerade
nicht siehst! Gieße nun Wasser in den Becher!
A1:
Beschreibe und erkläre den Versuch!
V2:
Einfalls- und Brechungswinkel!
Untersuche den Zusammenhang zwischen Einfalls- und Brechungswinkel beim
Übergang des Lichtes von Luft in Glas und umgekehrt!
Bestimme die Brechungszahl von Glas!
A2:
Tauche einen Löffel in Glas Wasser und beobachte den Löffel schräg von der Seite!
A3:
Beim Angeln beobachten sich ein Fisch und der Fischer!
Sieht der Fischer den Fisch zu hoch oder zu tief im Wasser?
Begründe deine Antwort!
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V3:
Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium
Drehe die Scheibe so, dass der einfallende Strahl zuerst auf den halbkreisförmigen Teil
des Glaskörpers fällt.
Miss für die Einfallswinkel α = 0°,15°,30°,45°, 60°,75° die Reflexionswinkel α´ und
die zugehörigen Brechungswinkel β! Was fällt dir auf?
A4:
Welche Beziehung gilt für den Grenzwinkel der Totalreflexion(ángulo (el) crítico de la
reflexión total) βG beim Übergang von Glas in Luft!
Beispiele der Totalreflexion:
•
A5:
Luftspiegelungen und Fata Morgana:
Versuche anhand der Zeichnung die Luftspiegelung zu erklären!
Abb1: Luftspiegelung
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•
Glasfaserleiter
A6:
Erkläre die Funktionsweise eines Glasfaserleiters anhand der Skizze!
Abb2: Glasfaserleiter
An der Grenzfläche zweier Medien ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht
sprunghaft.
In inhomogenen Medien kann sich die Geschwindigkeit des Lichts kontinuierlich ändern.
Das Licht wird beim Durchgang des Mediums gekrümmt.
Ein Beispiel dafür ist die Atmosphäre.
Abb1:
Brechung des Lichts durch die Atmosphäre
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12.3 Prismenspektren
V1:
Ein Lichtstrahl durchquert ein Prisma und fällt dann auf einen Schirm.
Es tritt eine Auffächerung des Lichtstrahls ein, wir können verschiedene Farben
sehen(Emissionsspektrum)!
A1:
Zeichne ein wie sich weißes Licht beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium
verhält!
A2:
Überlege dir aus dem Brechungsgesetz ob sich das rote oder das violette Licht
schneller im Glas ausbreiten!
Weitere Überlegungen zum Brechungsindex:
Der Brechungsindex hängt vom durchsichtigen Medium und von der Frequenz (Wellenlänge)
ab!
Im Normalfall ist der Brechungsindex für größere Frequenzen größer als für kleinere
Frequenzen:
Abb1: Der Brechungsindex von Glas ist für Licht verschiedner Frequenzen
verschieden (Dispersion)!
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12.4
Versuche zur Farbmischung (mezcla (la) de colores)
V1:
Farbmischung durch mehrer Lichtquellen (additive Farbmischung)
Wir projizieren die Grundfarben( rot, grün, blau) auf einen weißen Bildschirm!
A1:
Beschreibe und skizziere den Versuch und trage die Mischfarbe in die Tabelle ein!
Grundfarben
Mischfarbe
rot und grün
blau und grün
rot und blau
rot, grün und blau
V2:
Farbmischung durch Filter (subtraktive Farbmischung)
Wir legen Farbfilter auf den Overhead!
A2:
Beschreibe und skizziere den Versuch und trage die Mischfarben in die Tabelle ein!
Grundfarben
Mischfarbe
cyan und gelb
magenta und gelb
cyan und magenta
cyan, magenta und gelb
magenta
cyan
gelb
Beispiel zur additiven Farbmischung:
A3:
Erkläre den Farbbildschirm eines TV-Gerätes anhand des entsprechenden JavaApplets!
Beispiele zur subtraktiven Farbmischung:
•
Vierfarbendruck
•
Wasserfarben
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12.5 Entstehung von Licht
Kann ein Körper in einem System alle Energiewerte annehmen, nennt man die
Energiezustände kontinuierlich.
A1:
Nenne Systeme aus dem Alltag, die kontinuierliche Energiezustände annehmen!
Können Systeme die nur bestimmte Energiezustände annehmen, so nennt man die
Energiezustände diskret.
A2:
Nenne nicht kontinuierliche (diskrete) Vorgänge des Alltags!
Die Elektronen in einem Atom können nur diskrete Energiezustände annehmen!
Natrium Atom:
Abb.1:Einige Energiezustände eines Na – Atoms.
A3:
Beschreibe wie es zu den verschiedenen angeregten Energiezustände im Na-Atom
kommt!
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Emission:
Abb.2: Ein Elektron gibt Energie in Form von Strahlung ab!
A4:
Wie berechnet sich die abgegebene Energie?
Die Abgabe der Energie erfolgt in Form von elektromagnetischer Strahlung. Die Größe eines
solchen emittierten Energiepakets (Energiequants) bestimmt die Frequenz.
Energiequanten
∆E = h . f
∆E…abgestrahlte Energie
h…Planck´sches Wirkungsquantum h = 6,6 .10-34 J.s
f…Frequenz der abgestrahlten Welle
Das Planck´sche Wirkungsquantum ist eine Naturkonstante.
A5:
Zeichne in das untenstehende Diagramm den Zusammenhang zwischen der
abgestrahlten Energie ∆E und der Frequenz f ein und beschrifte die Achsen.
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Der Übergang von einem Energieniveau zu einem niedrigeren dauert nur ungefähr 10-8s.
Diese Zeit legt die Länge der ausgesandten Welle fest.
Dadurch ist der Wellenzug sehr kurz und die ausgesandte Energie lokalisiert.
Daher spricht man von Energiequanten (Photonen).
A6:
Sind die Wellen sichtbar?
Es werden Photonen mit einer Energie von 4 eV ausgesandt.
12.5
Ionisationsenergie
Von Ionisation spricht man, wenn einem Atom so viel Energie zugeführt wird, dass das
Elektron das Atom verlässt.
Die Energie die dazu nötig ist wird Ionisationsenergie genannt.
Abb.1: Termschema: Ablöseenergien für ein Na-Atom
A1:
Berechne die Energiedifferenz von zwei Energiezuständen, für Licht von
500 nm.
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12.6
Emissionsspektrum
Dazu erzeugt man beispielsweise Prismenspektren.
Dabei wird das Licht, dass von der Lichtquelle kommt nur spektral zerlegt.
Man spricht von Emissionsspektren.
Abb1: Versuchaufbau für ein Emissionsspektrum
Beispiele:
Glühlampe
Das Licht der Glühlampe ergibt ein kontinuierliches Spektrum.
Quecksilberdampflampe
Führen wir den gleichen Versuch mit Licht einer Quecksilberdampflampe durch erhalten wir
ein Linienspektrum.
A1: Übertrage das dir gezeigte Lienenspektrum ins Skriptum!
A2: Wo kommen Emissionsspektren im Alltag vor?
A3: Überlege wie man Emissionsspektren einfach erzeugen kann?
Durch die bekannte Lage von sehr deutlichen Linien, lassen sich Vorrichtungen zur Messung
der Farbanteile des herstellen.
Solche Geräte nennt man Spektrometer!
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12.7
Absorptionsspektren
Das Absorptionsspektrum zeigt wie das Licht von einem Körper absorbiert wird.
Abb.1: Versuchsaufbau für ein Absorptionsspektrum
A1:
12.8
Beschreibe das dir gezeigte Absorptionsspektrum und übertrage es in dein
Skriptum!
Spektralanalyse
Bei der Spektralanalyse benützt man Emissionsspektren von leuchtenden Körpern, um ihre
chemische Zusammensetzung zu bestimmen.
Jedes chemische Element hat genau ein charakteristisches Emissionsspektrum.
Abb.1: Emissionsspektren von H, Na, Hg
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