Wie sieht Hans das rote Quadrat?
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Anmeldung im VIS-Online!!! Bitte melden Sie sich unbedingt bis 15.Dezember im VISOnline für diese Lehrveranstaltung an. Eine Schlussprüfung ist nur nach erfolgter Anmeldung für die Lehrveranstaltung möglich. Anmeldungen in vorhergehenden Jahren können die heurige Anmeldung nicht ersetzen. 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 Anmeldung im VIS-Online!!! Bitte melden Sie sich unbedingt bis 15.Dezember im VISOnline für diese Lehrveranstaltung an. Eine Schlussprüfung ist nur nach erfolgter Anmeldung für die Lehrveranstaltung möglich. Anmeldungen in vorhergehenden Jahren können die heurige Anmeldung nicht ersetzen. 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 Anmeldung im VIS-Online!!! Bitte melden Sie sich unbedingt bis 15.Dezember im VISOnline für diese Lehrveranstaltung an. Eine Schlussprüfung ist nur nach erfolgter Anmeldung für die Lehrveranstaltung möglich. Anmeldungen in vorhergehenden Jahren können die heurige Anmeldung nicht ersetzen. 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 Anmeldung im VIS-Online!!! Bitte melden Sie sich unbedingt noch vor Anmeldeschluss im VIS-Online für diese Lehrveranstaltung an. Eine Schlussprüfung ist nur nach erfolgter Anmeldung für die Lehrveranstaltung möglich. Anmeldungen in vorhergehenden Jahren können die heurige Anmeldung nicht ersetzen. 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 Anmeldung im VIS-Online!!! Bitte melden Sie sich unbedingt noch vor Anmeldeschluss im VIS-Online für diese Lehrveranstaltung an. Eine Schlussprüfung ist nur nach erfolgter Anmeldung für die Lehrveranstaltung möglich. Anmeldungen in vorhergehenden Jahren können die heurige Anmeldung nicht ersetzen. 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
