Wie sieht Hans das rote Quadrat?

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1
Einleitung
Die Thematik dieser Vorlesung - Licht, Sehen und Farbe - umfasst eine
Vielzahl von Phänomenen, für welche spezifische Erklärungs- und
Beschreibungsmodelle vorgestellt werden. Leider gibt es keine übergeordnete
Disziplin, von der aus der gesamte Stoff unter einem einheitlichen
Gesichtspunkt betrachtet werden kann. Hier treten uns auch heute noch die
grössten naturwissenschaftlichen und philosophischen Rätsel entgegen und
eine endgültige Lösung dieser Fragen zeichnet sich nicht einmal ansatzweise
ab. Trotzdem wissen wir schon viel Brauchbares und mit dem Aufkommen
des Computers hat der ganze Themenkomplex an praktischer Relevanz stark
gewonnen. Für den Lernenden ergibt sich aus der Inhomogenität des
Fachgebietes der Vorteil, dass er den Stoff in kleinen, voneinander relativ
unabhängigen Portionen aufgeteilt bewältigen kann.
2
Es ist komplizierter als man normalerweise glaubt
Wir sehen nur bedingt etwas, das wir auch mit anderen Mitteln nachweisen können.
Betrachten Sie einige Zeit das schwarze Kreuz!
3
Der Farbreiz Licht
Uns interessiert hier im Wesentlichen die Auslösung eines Farberlebnisses
durch Licht, welches auf das Auge fällt.
Gleichwohl sollten wir uns klar machen, dass man Farberlebnisse auch durch
mechanische (Schlag auf das Auge), elektrische (Strom im Bereich des
Auges), physiologische (Blutüberschuss im Kopfbereich) und als Drogen
wirkende chemische Einflüsse induzieren kann.
[Siehe Jonnes Müller]
Verweis auf Johannes Müller: Spezifische Sinnesempfindungen und die
Dissertation Gabriele Schmid.(Notizenfeld)
4
Johannes Müller (1801 - 1858)
Johannes Müller gehört zum physiologischen Neukantianismus. Er ist der Begründer der Lehre
von den spezifischen Sinnesempfindungen, nach welcher jeder Sinnesnerv in apriorischer, angeborener Weise auf jeden Reiz immer mit seiner ureigenen Empfindungsqualität reagiert, woraus
die vollständige Subjektivität der Sinnesqualitäten (Farbe, Ton usw.) folgt. Diese Theorie der
spezifischen Sinnesempfindungen wurde von Helmholtz und Wundt weiter entwickelt.
5
Tabelle der Sinne
Literatur:
Karl R. Gegenfurter: Gehirn & Wahrnehmung, 128 Seiten, 2003. Broschürt,
Fischer Taschenbuch Verlag, ISBN 3-596-15564-9
6
Nicht adäquate Sinnesreizungen
Alessandro Volta (1745- 1827)
1792 hat Volta als erster die Wirkung der von Galvani entdeckten "tierischen„ Elektrizität auf
menschliche Sinnesorgane untersucht. Als er dabei auf einen Augapfel ein Stanniolblatt legte
und in den Mund eine Silbermünze oder -löffel nahm, löste die Berührung beider Metalle eine
Lichterscheinung aus (durch den galvanischen Strom im Auge).
Seit 1790 berichtet Volta auch über durch Strom hervorgerufene Sinneswahrnehmungen beim
Schmecken und Hören.
7
Sterne sehen
(SWR4 Rheinland-Pfalz )
Inernet: „Was eine echte Comicfigur sein will, muss schon einiges zu bieten haben. Zum
Standardrepertoire gehören die kreisenden Sterne über dem Kopf, falls ihr etwas gewaltsam über
den Schädel gezogen wird. Die Fähigkeit, Sterne über dem Kopf schwirren zu lassen, hat
Berufskollegen wie beispielsweise Miezekatze Silvester, Donald Duck und Lupo zu wahren
Comic-Helden bei Jung und Alt avancieren lassen.
Aber wie sieht es eigentlich in der Wirklichkeit aus? Etwa, wenn ein Mensch einen Schlag auf
den Kopf bekommt. Sieht er dann auch Sterne? Tatsächlich kann so ein Schlag zumindest
Lichtblitze auslösen, die dann vom Betroffenen oft als "Sterne" beschrieben werden. Denn die
Sensoren unserer Netzhaut, die eigentlich für das Sehen zuständig sind, sind so empfindlich, dass
sie nicht nur auf Lichtreize reagieren können, sondern auch auf Druckschwankungen. Diese
Druckschwankungen werden in der Regel von der Gehirnflüssigkeit, dem so genannten "Liquor"
abgefangen. Doch wenn der Schlag zu stark ist, kann es durchaus zu Empfindungen wie
Lichtblitze, oder - wenn Sie eben möchten - auch zu den "Sternen" kommen. “
8
Sehen ohne äusseren Reiz
Optische Halluzinationen sind Erlebnisse mit Lichtern, Farben, Blitzen,
Gestalten, Figuren, Szenen usw.
Beängstigend sind die schnell wechselnden Abläufe im Delirium (Alkohol,
Rauschdrogen, sonstige Schadstoffe, krankhafte Einflüsse). Hier handelt es
sich meist um Käfer, Würmer, Spinnen, Mäuse oder sonstiges Ungeziefer, das
sich auf den Kranken bedrohlich zubewegt.
9
KOKS
DerStandard: 24. November 2005
..."Diese verdammten Viecher." Charly kratz wie wild über seine Handrücken. "Da
unter der Haut, siehst sie nicht? Die treiben mich zum Wahnsinn." In Letzterem
hat der junge Mann mit der speckigen Baseballkappe tragischerweise Recht, er
leidet unter Dermatozoenwahn. Wie viele exzessive Kokainkonsu-menten bildet
sich Charly ein, dass sich Insekten und Würmer in seinem Körper eingenistet
haben.
10
Literatur dazu:
Dietmar Czycholl:
Die Phantastischen Gesichtserscheinungen
Vom Sehen bei geschlossenen Augen und seiner Erforschung.
2003, 154 Seiten, dt.
vwb-verlag
ISBN 3-86135-250-8
11
Unmöglichkeit von Farbvorstellungen bei
Geburtsblinden
Gemälde einer erblindeten Malerin (Farbempfindung bei Späterblindeten)
Geburtsblinde haben überhaupt keine Farbvorstellungen.
Genau so können wir uns nicht vorstellen, wie die Farben
den Bienen im UV-Bereich erscheinen.
12
Nichtspezifische Sinnesempfindungen
(1) Assoziationen: Geruch eines Weihnachtsgebäcks löst Melodie
eines Weihnachtsliedes aus.
(2) Synästhesie: z.B. Hörerlebnis löst ein Farberlebnis aus,
das Denken an eine Zahl löst ein Farberlebnis aus,
Geschmackserlebnis löst eine Tastempfindung aus
(die Sauce schmeckt spitzig).
Nicht so deutlich, dafür aber sehr häufig:
Die Temperaturwirkung der Farben. ./.
Literatur dazu:
Farben hören, Töne schmecken, Die bizarre Welt der Sinne
von Richard E. Cytowic von BYBLOS VERLAG (Taschenbuch – 1995)
http://www.sensequence.de/proj/projde.html
13
Farb-Geschmacks-Synaesthesie
Die Weinfarbe löst beim Kenner Geschmacksempfindungen aus.
Er ist dann erstaunt, wenn er den Wein - mit verbundenen Augen
verkostet – nicht mehr erkennt.
14
Gehör-Farben-Synaesthesie
PM-Magazin 10.10. 06
Grün entspannt nicht nur die Seele, sondern
dämpft auch den Geräuschpegel. Um unsere
Ohren und Nerven zu schonen, könnten grün
eingefärbte Züge, Schlagbohrer oder
Bürogeräte schon bald zum Alltag gehören.
Forschungen der TU München haben ergeben,
dass Farben die Lautstärkewahrnehmung stark
beeinflussen.
Autor(in): Wolfgang C. Goede
15
Die Temperaturwirkung der Farben
Gefühl von Kälte
Gefühl von Wärme
Synaesthesie: Ein Sinnesorgan löst nicht-sinnesspezifische Wahrnehmungen aus.
16
Gute Beleuchtung beim Essen
Van Gogh:
Die Kartoffelesser
Zwar weniger gemütlich, aber das Essen schmeckt bei guter Beleuchtung wesentlich besser,
weil die Farben geschmacklich mitwirken.
17
Van Gogh
niederländischer Maler 1853-1890
18
Das Wort „Farbe“
wird für viele grundverschiedene Begriffe verwendet.
Sie denken bei dieser Vorlesung vielleicht nicht an:
Farbiger Amerikaner, Farbe bekennen, im Gesicht die Farbe verlieren,
farbige Erlebnisse, Farbe des Parteibuches, ...
Wir verwenden den Begriff Farbe in zwei Bedeutungen:
1.) Farbempfindung (exakt: Farbvalenz) – ein psychologischer Begriff
2.) Gekaufte Farbe (exakt: Farbmittel) – ein chemisch-physikalischer
Materialbegriff
19
Farbe im Bewusstsein und Farbe in der Tube
Akustisches Analogon:
Geräuschempfindung und Geräuschquelle
20
Dementsprechend zwei verschiedene
Farbmischungen
additiv
Empfindungsmischung
multiplikativ
Materialmischung
21
DEMOKRIT
nach Diogenes Laertius frühes 3. Jh. v. Ch.
(nicht der Diogenes im Fass)
Diogenes Laertius schrieb eine bedeutende Geschichte der Philosophie und kannte die Lehre
des Demokrit:
„Die Wahrnehmung der Farbe beruht in Wirklichkeit auf einer Täuschung: Den Atomen
haben keine Farbe, wir erkennen nur einen subjektiven Farbeindruck aufgrund der Gestalt
und Lage der Atome. Die weisse Farbe wird durch glatte Atome, die schwarze durch rauhe
hervorgerufen.“
Hier bahnt sich auch eine Auffassung der Farbe als Material an.
Aber auch die Farbe als Korpuskelstrahlung wird von Demokrit angenommen.
Wir wissen durch die 10 Bücher dieses Diogenes sehr viel über die frühe griechische Philosophie. Aber über ihn selbst wissen wir praktisch nichts.
Diogenes Laertius: Lives of Eminent Philosophers, Volume 2, Books 6-10 (Loeb Classical
Library) Format: Hardcover - 10th printing/1st pub.1925 Pub. Date: November 19
22
Epikur 341-270 v.Ch.
der lachende Philosoph
Epikur im zweiten Buche gegen Theophrast leugnet, daß Farben den Körpern innewohnen,
und behauptet vielmehr, sie entständen durch gewisse Stellungen und Lagen der Körper
gegen das Gesicht; und auf diese Weise könne ein Körper ebenso wenig farblos sein als
Farbe haben. „Auch davon abgesehen, weiß ich nicht, wie man sagen könne, dass Körper
in der Finsternis auch Farbe hätten.“
Hier bahnt sich also an, dass Farbe ein Bewusstseinsinhalt ist.
23
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24
Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832)
Goethe meinte eigentlich die Farbempfindung (mit Netzhautzuständen
verbunden), vermischte aber seinen
Farbbegriff immer wieder mit physikalischen Irrtümern (wobei er über
Newton polemisiert).
Goethe betrachtete seine Farbenlehre
als seine bedeutendste Schöpfung.
Er stiftete aber im Wesentlichen nur
den Nährboden für dilettantische
Pseudofarbwissenschaften.
Wenn heute sich jemand im Zusammenhang mit Farben auf Goethe
beruft, so sollte er mit ganz besonderer Skepsis betrachtet werden.
25
Farbvalenz – Farbmittel
Farbvalenz
Dieses Wort wird in der
Farbwissenschaft verwendet, wenn
man sicherstellen will, dass eine
Farbempfindung gemeint ist.
Farbmittel
Dieses Wort wird in der Farbwissenschaft verwendet,
wenn man sicher stellen will, dass nicht eine
Farbempfindung, sondern ein farbiges Medium (Material)
(Malfarbe) gemeint ist.
26
Farbkoordinaten und Spektren
Farbvalenzen (also Gefühle) werden mit dreidimensionalen Koordinaten
beschrieben.
Farbwürfel
Farbmittel (also Materialien) werden durch Absorptions- beziehungsweise
Transmissions-Spektren
beschrieben. Ebenso werden Materialproben verwendet, um Farbmittel
vorzuzeigen.
Reflexionsspektrum eines Stoffes
Farbkarte einer Farben-Firma
27
Farbkoordinaten
für Farbempfindungen
Hier werden Farbempfindungen durch den Bildschirm induziert
angeboten und gezeigt, wie sie durch einen passenden Bildschirm-Farb-Reiz
erzeugt werden können.
28
Farbkarten + Farbatlanten
für Farbmittel
Die Art des Matrerials (oder die Erzeugerfirma) muss dabei festliegen
29
Pantone
Farbatlas für industrielle Farbkennzeichnung
30
Farbempfindung subjektiv oder
objektiv?
Wie empfinde ich, wie empfindet der andere?
Für mich bekannt
Für mich grundsätzlich unbekannt
Also: Es gibt keine Objektivierung der Farbempfindung
31
Die Farbe im Bewusstsein und in der Reaktion
1.Man kann in das Bewusstsein eines anderen Individuums grundsätzlich nicht
eindringen. Selbst die Beobachtung neuronaler Vorgänge sagt über das Bewusstsein
nichts aus.
2.Vom Bewusstsein zu unterscheiden sind die Reaktionen eines Individuums. Das
Individuum kann zwar lügen, aber wenig oder mehr trickreiche Versuche können
zeigen, ob das Individuum dabei z.B. bei zwei Strahlungsarten gleiche oder
unterschiedliche Reaktionen zeigt.
32
Wie sieht Hans das rote Quadrat?
so ?
so ?
Die Anderen werden es nie wissen.
33
Aber Unterschiede können
erfragt werden
Wir können Hans befragen, ob er einen Unterschied erkennt.
34
Siehst Du den Unterschied?
35
Die Farbmetrik
(Umgangssprachlich und falsch: Messung der Farbempfindung)
Die Farbmetrik beschäftigt sich nicht mit Farbempfindungen,
sondern mit den Reaktionen des Individuums auf Farbreize!
36
Schwierigkeit bei Unterscheidung durch Namen
im Abendland
Antike:
„chloros“
„luridus"
etymologisch „Glut“
Heute ?
Wer nicht mit Worten unterscheidet, dem dürften auch die Bewusstseinsinhalte wenig
37
Unterschiede bieten.
Boletus luridus
38
Violett in der Spektrometrie, im Druck und in der
Umgangssprache
In der Spektrometrie wird die kurzwelligste Strahlung, welche noch sichtbar
ist, als Violett bezeichnet.
Im Farbdruck wird dasjenige Blau, welches gerade die ersten Zeichen einer
Rotbeimischung zeigt, als Violett bezeichnet.
Im Internet findet man bei der Bild-Such nach „Violett“, fasst nur ein dunkleres Rosa.
Spektrometrie
Druck
Pop-Sprache
39
Violetter Rötel-Ritterling
Lepista nuda
40
Lila im Druck und im Internet
41
Die Farbe Magenta = Fuchsia
Die Farbnamen Fuchsia und Magenta
wurden in der Vergangenheit selten
gebraucht und daher wurde diese Farbe mit den Namen Pink, Lila, Violett,
Rosa bezeichnet.
42
Frauen sind im Violettbereich
unterscheidungsfreudig
43
Blau in Japan
„aoi“ : herkömmlich
keine Unterschiede bei
den dargestellten Farben.
Die moderne japanische
Kultur aber unterscheidet diese Farben.
"siro" : weiss, "kuro" : schwarz,
"ao" : blau, "aka" : rot,
"ki" : gelb, "cha" : braun,
"midori„ : grün,
"momo" : rosa, "murasaki" : magenta
44
Unterscheidungsfähigkeiten bezüglich Wahrnehmung und
Sprache sind kulturbedingt
Graupenschlag
Pulver
Nassschnee
Pressschnee
Matsch
Papp
Marmor
Firn
Harsch
Sulz
Schwimmschnee
45
Sind Weiss und Schwarz Farben?
Newton identifizierte „Weissheit'' mit Helligkeit. Helmholtz (1860) untersucht die Helligkeit getrennt von den Farbwahrnehmungen; er betrachtet auch Schwarz als eine Empfindung
(und nicht als die Abwesenheit einer Empfindung).
Heute sind für uns ohne Frage auch Weiss und Schwarz Farben.
46
Was ist Licht?
Man kann zwar das Verhalten von Licht immer besser mathematisch beschreiben,
aber seine Natur wird immer rätselhafter.
?
Beim Armin Assinger würde ich die Antwort
„Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm.“
wählen.
47
Farbiges Licht
Als elektromagnetische Strahlung hat Licht objektiv keine Farbe.
Während ich ein rotes Kleid sehe (weil Licht
eines bestimmten Wellenlängengemisches auf
mein Auge trifft), kann ein Rotgrün-Farbenblinder
das Kleid kaum vom Hintergrund unterscheiden.
Das liebe Rindvieh (auch der gefürchtete Stier)
hingegen sieht überhaupt nur hell-dunkel und
kann überhaupt keine Farben differenzieren!!!
Es ist aber trotzdem sinnvoll und praktisch, das
Wellenlängengemisch, welches vom Kleid auf mein
Auge fällt, als rotes Licht zu bezeichnen.
48
UV, IR, Rönthgenlicht
Man spricht zwar gelegentlich von ultraviolettem, infrarotem und Rönthgen-Licht,
sollte aber die Worte Licht, leuchten, Beleuchtung, ... nur im Zusammenhang
mit sichtbarer elektromagnetischer Strahlung verwenden.
49
Sir Isaac Newton (1643 - 1727)
Nahm an, dass es sich beim Licht
um eine Teilchenstrahlung handelt.
50
Elektrische und magnetische Kräfte
Bernstein
Magnet
Um 600 v. Chr: Der griechische Philosoph und Mathematiker Thales von Milet entdeckt,
dass Bernstein eine elektische Ladung erhält, wenn man ihn reibt.
624 v.Chr.: Erste bekannte Aufzeichnung über Magnetsteine durch Thales von Milet.
51
Thales von Milet
624 bis 546 v. Chr.
Milet liegt etwa 80 km südlich der
heutigen Stadt Izmir. Die Stadt gilt
als Geburtsstätte des rationalen Denkens
und der Philosophie im antiken Griechenland.
52
Hans Christian Orsted
(1777-1851)
1820: Der dänische Physiker Hans Christian Orsted entdeckt die Verbindung zwischen
Elektrizität und Magnetismus, indem er beobachtete, dass ein stromdurchflossener Leiter
eine Magnetnadel ablenken kann.
53
Michael Faraday
(1791-1867)
1831: Der englische Physiker und Chemiker Michael Faraday entdeckt, dass man mit
Magnetismus Elektrizität erzeugen kann.
54
Maxwell Clark
(1831-1879)
Maxwell-Gleichungen
Von 1861 bis 1864 beschrieb James Clerk Maxwell alle damals bekannten
elektromagnetischen Phänomenen mit einem einzigen Satz von Formeln. Diese
zeigen, wie sich elektromagnetische Felder bilden und zeitlich entwickeln, darunter
fällt auch das Phänomen elektromagnetischer Wellen wie Licht und Radiowellen. 55
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56
Elektromagnetische Wellen
57
Gebräuchliche Längeneinheiten
bei Licht
1 nm (Nanometer) = 1mm (Millimykron) = 10 Ao (Angström) =
= 10-9 m = 10-6 mm = 10-3 mm (Mikrometer)
Z.B. blaues Licht mit Wellenlänge
l = 444,44 nm = 444,44 mm = 4444,4 Ao
und orangerotes Licht mit der Wellenlänge
l = 645,16 nm = 645,16 mm = 6451,6 Ao
1 mykron = 1/1000 mm = 10-6 m, Vorsilbe mikro: 10-6
58
Mass -Vorsilben
59
Wellenausbreitung
Jedes Photon ist polarisiert, das heißt die beiden Schwingungs-Ebenen liegen fest.
Beim polarisierten Licht haben alle Photonen
dieselben entsprechenden Schwingungseben.
Bei nicht polarisiertem Licht hat jedes Photon
seine eigenen Schwingungsebenen.
60
Lichtgeschwindigkeit
Fizeau Armand Hippolyte Louis
1849
5% zu wenig
Olaf Römer 1676
c = 214000 km/s
Genau: 299.792.458m/s
61
heute aber c = 1, was letztlich auf Poincare zurückgeht.
Lichtgeschwindigkeit heute
eine Konvention von Henri Poincare
62
Elektromagnetische Strahlung
=Rönthgenstrahlung
63
Kugelwellen
Kugelwellen, weit weg vom Zentrum oder in einem kleinen Ausschnitt
betrachtet, ergeben angenähert eine ebene Wellenfront
64
Ebene Wellenfronten
65
Konstruktive Interferenz
66
Destruktive Interferenz
67
Interferenz von Wellen
Wellenberge und Wellentäler der zwei Quellen können
sich gegenseitig stärken oder auslöschen
68
Die Erfinder der Differentialund Integralrechnung :
Christian Huygens
(1629 - 1695)
Gottfried Leibnitz (1646-1716)
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
69
Huygensche Elementarwellen
Die Graphik zeigt reale Wellen, die Elementarwellen sind aber nur gedacht
und differentiell klein. Sie dürfen nicht mit den Photonen verwechselt
werden.
Jeder Punkt der Wellenfront wird als Zentrum der Erregung einer
Elementarwelle angesehen.
70
Wellenfronten
Die Radien der Kreise nehmen um den gleichen Betrag zu. Die Einhüllenden sind
die Wellenfronten. Eine Wellenfront entsteht durch Integration (Überlagerung) über
die Elementarwellen.
71
Augustin Fresnel
(1788 - 1827)
Er brachte die Huygensche Wellenlehre
des Lichtes zur Vollendung. Damit war
Newtons Teilchentheorie vorerst obsolet.
Erwin Schrödinger konnte die
Fresnelsche Wellengleichung direkt für
Materiewellen übernehmen.
Erst mit der Quantentheorie zu Beginn
des zwanzigsten Jahrhunderts (Planck,
Einstein) wurde klar, dass das Licht auch
Teilcheneigenschaften hat.
Erwin Schrödinger
1887-1961
72
Joseph von Fraunhofer
(1787-1826)
Seine Forschungen waren für die Wellenoptik ebenfalls grundlegend.
Weiters entdeckte er im Sonnenspektrum
dunkle Linien, welche er als Absorptionslinien interpretieren konnte. Somit
war er auch für die Astrophysik äusserst
wichtig.
73
Emission und Absorption
74
Beugung am Spalt
75
Thomas Young
(1773-1829)
engl. Arzt, Physiker ,
Naturphilosoph und Ägyptologe
Sein Doppelspaltversuch beweist die
Wellennatur des Lichtes
76
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77
Doppelspalt
78
Breiter Spalt – Beugung an einer Kante
79
Beugungsordnung
Wellenlänge
Rot wird am stärksten
gebeugt
Analogon:
Tiefe Töne hört man um die
Ecke
80
Doppelspaltversuch von Young
ergibt ein charakteristisches Beugungsmuster
81
Beugung am Gitter
82
Beugungsgitter
1 Schlitz
2 Schlitze
1 0 1
3 Schlitze
5 Schlitze
6 Schlitze
3 2 1 0 1 2 3
Hat man genügend viele Schlitze, so werden bei der ersten
Ordnung die verschiedenen Farben sehr gut getrennt und man
kann daher ein Beugungsgitter
als Spektrometer verwenden.
Beugungsgitter haben zwischen 70 Linien/mm (für IR) und bis zu 1800 Linien/mm (für UV) eingeritzt
.
83
Das Farbenspiel der CD‘s
stammt von der Beugung an einem gerilltem Spiegel (=Beugungsspiegel)
84
Snel van Royen (Snellius)
Leiden 1580. † Leiden 30. Oktober 1626.
85
Brechung
(Erklärung mittels Huygenscher Elementarwellen)
optisch dicht
=
geringe Lichtgeschwindigkeit
=
grosser Brechungsindex > 1
Der Lichtstrahl wird in Richtung des Lotes gebrochen, wenn er ins optisch dichtere
Medium = (kleinere Geschwindigkeit der Ausbreitung) eintritt.
86
Umkehrbarkeit des Lichtweges bei der
Brechung
Lot
n
>
n‘
87
Brechung an der Wasseroberfläche
so ist
so erscheint
der Gegenstand
88
Brechung im Alltag
89
Linsen
90
Linsentypen
Konvex ist der Buckel von der Hex‘, konkav ist der Rücken vom Herrn Graf.
91
Vergleich von Beugung und Brechung 1
Rot wird stark gebeugt
Rot wird schwach gebrochen
Beugungsgitter
Brechungsprisma
92
Vergleich von Beugung und Brechung 2
Die Brechung basiert auf der unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeit für verschiedene
Wellenlängen im brechenden Medium.
Die Beugung hängt nur von der geometrischen Form der Beugungsöffnung und der
Wellenlänge ab.
Sowohl Brechung als auch Beugung können zur spektralen Zerlegung von Strahlung
verwendet werden.
Dabei hat die Beugung gegenüber der Brechung den Vorteil, dass schon alleine aus der
Geometrie der Anordung für die spektrale Zerlegung auf die Wellenlängen der
zerlegten Strahlung geschlossen werden kann.
Die Brechung kommt aber bei optischen Instrumenten mit Linsen und Prismen (auch
bei der Brille) im Allgemeinen stärker zum Tragen als die Beugung.
93
Beugung
MAUER
Hört die tiefen Töne des Traktors,
aber nicht die hohen Töne des Pfeifers.
94
Beugung am Gitter
Dient zur spektralen
Zerlegung von Licht
95
Reflexion
(Erklärung mittels Huygenscher Elementarwellen)
t0
Lot
a
a
t1
96
Spiegel
97
Umkehrbarkeit des Lichtweges beim
Spiegel
98
Satellitenspiegel für EM-Wellen
99
Das Prisma - Dispersion
Die Brechung hängt von der Wellenlänge ab (und vom Material des
Prismas). Dadurch findet eine Auffächerung des weissen Lichtes statt
(Dispersion). Rot wird weniger gebrochen als Blau.
100
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101
Geometrie des Regenbogens
Wassertropfen
Richtung Sonne
Auge des Beobachters
liegt am roten aber nicht
am blauen Kegelmantel
Auge des Beobachters
liegt am roten aber nicht
am blauen Kegelmantel
Richtung Sonne
Wassertropfen
Richtung Sonne
Wassertropfen
Auge des Beobachters
liegt am blauen aber nicht
am roten Kegelmantel
Auge des Beobachters
bildet die Spitze des Kegels mit Achse zur Sonne, auf dem die roten Strahlen
liegen, welche in das Auge des Beobachters treffen und den roten Teil des Regenbogens formen.
102
Physik des Regenbogens
103
Das Blau des Himmels
John Tyndall, 1820-1893
1859
Streuung von Licht an Teilchen
Lord Rayleigh, 1842-1920
1871
kurze Wellenlängen werden
stärker gestreut,
daher das Himmelblau
Albert Eistein, 1879-1955
1911
Streuung an Luftmolekülen,
welche als Dipole wirken
104
Himmelblau und Morgenröte
105
Polarisiertes Licht
nicht
eben
zirkular
polarisiert
Die Pfeile zeigen die Schwingungsebene des elektrischen Feldes.
106
Welle? Teilchen?
107
Max Planck
(1858-1947)
Führte 1900 die Quantenphysik ein, um Strahlungsphänomene mathematisch
beschreiben zu können.
108
Friedrich Hasenöhrl (1874 - 1915)
Masse = Energie (ohne Verwendung der Relativitätstheorie)
1904 Juli: Veröffentlichung der Abhandlung "Zur Theorie der Strahlung in bewegten Körpern".
F. Hasenöhrl, Ann. Phys., Band 15, Seite 344-370, (1904); 16, 589 (1905)
1905: Einstein E=m.c2 (Heute Definition: c=1, also Masse = Energie)
109
Wellen-Teilchen Dualismus
Kalium
Wellennatur
Teilchennatur
globale Verhaltensweise
lokale Verhaltensweise
110
Pioniere
Heinrich Rudolf
Hertz (1857 - 1894)
Wilhelm Hallwachs
( 1859 - 1922 )
Albert Einstein
(1879 -1955)
Der äußere photoelektrische Effekt wurde 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs beobachtet. Manche Metalle geben
einen elektrischen Strom ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Theorien der klassischen Physik konnten die
Eigenschaften des Effektes nicht erklären. Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch die Planckschen
Lichtquanten, heute Photonen genannt, den Effekt gut erklären kann und gab damit der Quantenphysik einen wichtigen Impuls
(dafür 1921 Nobelpreis für Physik). Die spätere Entwicklung der Quantenphysik lehnte er aber aus grundsätzlichen
weltanschaulichen Vorurteilen heraus ab („Gott würfelt nicht“) und brachte sich dadurch ins wissenschaftliche Aussenseiterdasein. Es ist aber gut möglich, dass er dabei einen erkenntnistheoretisch besseren Weg gefordert hat.
111
Logische Unvereinbarkeit
Doppelspaltversuch zeigt, dass ein Photon räumlich ausgedehnt ist.
Photoelektrischer Effekt zeigt, dass ein
Photon punktförmig (räumlich nicht ausgedehnt) ist.
112
Grenzen der Wellen-Teilchen Schau
Levi Leblond-Vergleich
Kann die logische Unvereinbarkeit auch nicht auflösen.
113
Energie und Wellenlänge des Photons
E= h.n
n=c/l
h = 6,626x10-34 J.sec
c = 299792000 m / sec
E .... Energie in J (oule)
l .... Wellenlänge in m (eter)
n .... Frequenz in H (ert) z = sec -1
h .... Plancksches Wirkungsquant
l gross, E und n klein
l klein, E und n gross
114
Starke – schwache
rote Strahlung
Energie der Photonen: e = h.n
115