Das Wesen des Lichts

Das Wesen des Lichts
Schwingungen und Wellen
Abb. 1: Longitudinale Welle (oben) und transversale Welle (unten)
Begriffe zu Wellen
Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus
Elektrizität:
●
●
Es gibt positive und negative Ladungen
Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine
Einheitsladung
Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus
Elektrizität:
●
●
Es gibt positive und negative Ladungen
Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine
Einheitsladung
Magnetismus:
●
●
●
●
Es gibt magnetische Nord- und Südpole
Die magnetische Feldstärke ist proportional zur magnetischen Kraft auf
einen magnetischen Nordpol
Jeder Magnet hat Nord- und Südpol. Aus einem Magneten führen immer
●
o
genauso viele Magnetlinien
heraus wie hineinlaufen:
Es gibt keine magnetischen Quellen (Magnetladungen, Monopole)!
Grundlagen zu Elektrizität und Magnetismus
Elektrizität:
●
●
Es gibt positive und negative Ladungen
Die elektrische Feldstärke ist proportional zur elektrostatischen Kraft auf eine
Einheitsladung
Magnetismus:
●
●
●
●
Es gibt magnetische Nord- und Südpole
Die magnetische Feldstärke ist proportional zur magnetischen Kraft auf
einen magnetischen Nordpol
Jeder Magnet hat Nord- und Südpol. Aus einem Magneten führen immer
genauso viele Magnetlinien heraus wie hineinlaufen:
Es gibt keine magnetischen Quellen (Magnetladungen, Monopole)!
Eletromagnetische Wechselwirkung:
Elektrische und magnetische Felder gehorchen den Maxwellgleichungen. Sie
besagen, dass elektrische Felder, die sich verändern, Magnetfelder erzeugen
und umgekehrt.
Entscheidend ist hierbei, dass das erzeugte Feld immer senkrecht auf der
verursachenden Feldänderung steht und dass die entstehenden elektrischen und
magnetischen Wirbel immer ihrer Ursache entgegenwirken (Lenzsche Regel).

Trägheit der elektromagnetischen Wechselwirkung
Der elektromagnetische Schwingkreis
Übergang zum Hertzschen Dipol (Antenne)
Elektromagnetische Wellen
Ampère-Maxwell- und Indunktionsgesetz im ladungs- und stromfreien Raum:
<<räumliche Änderung von B = 1/c * zeitliche Änderung von E senkrecht dazu>>
<<räumliche Änderung von E = -1/c * zeitliche Änderung von B senkrecht dazu>>
Elektromagnetische Wellen
Ampère-Maxwell- und Indunktionsgesetz im ladungs- und stromfreien Raum:
<<räumliche Änderung von B = 1/c * zeitliche Änderung von E senkrecht dazu>>
<<räumliche Änderung von E = -1/c * zeitliche Änderung von B senkrecht dazu>>
Abbildung: Elektrischer und magnetischer Feldvektor einer elektromagnetischer Welle. Die
Felder sind in Phase; sie stehen senkrecht aufeinander und auf der Ausbreitungsrichtung der
Welle.
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
1.
Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches
Teilchen.
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
1.
2.
Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches
Teilchen.
Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln
mit einem bestimmten Radius.
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
1.
2.
3.
Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches
Teilchen.
Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln
mit einem bestimmten Radius.
Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen
Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen
der Gravitation)
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
1.
2.
3.
4.
Sie sind schärfer als eine klassische Welle, aber unschärfer als ein klassisches
Teilchen.
Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln
mit einem bestimmten Radius.
Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen
Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen
der Gravitation)
Alle qm Teilchen besitzen einen (relativistischen) Impuls:
Photonenimpuls = (Planckkonstante * Frequenz):Lichtgeschwindigkeit
Photonen, die Lichtteilchen
Begriffe Welle, Teilchen  klassische Mechanik
 aus der täglichen Erfahrungswelt: Steine, Wasserwellen
Quantenmechanische (qm) Objekte haben folgende Gemeinsamkeiten und
Unterschiede mit klassischen Teilchen:
1.
2.
3.
4.
5.
Sie sind (bei wechselwirkung mit Materie) konzentrierter als eine klassische Welle,
aber unschärfer als ein klassisches Teilchen.
Sie können mit anderen Teilchen stoßen und verhalten sich dabei wie harte Kugeln
mit einem bestimmten Radius.
Nicht alle qm Teilchen haben eine Ruhemasse: Photonen sind nach klassischen
Gesichtspunkten masselos (sie haben aber eine relativistische Masse und unterliegen
der Gravitation)
Alle qm Teilchen besitzen einen (relativistischen) Impuls:
Photonenimpuls = (Planckkonstante * Frequenz):Lichtgeschwindigkeit
Die Newtonschen Axiome:
kräftefreie Bewegung gleichförmig
Kraft ~ Impulsänderung
actio = reactio
gelten nicht mehr zwingend für quantenmechanische Teilchen!!
Die Gravitationslinse
Die vier kreuzförmig um das Zentrum angeordneten Lichtpunkte stammen
von demselben Objekt, dass sich hinter dem Massezentrum verbirgt.
Die Gravitationslinse
Auch auf diesem Bild ist ein Gravitationslinseneffekt zu sehen. Das
Gravitationszentrum ist hier ein Galaxienhaufen in 7 Mrd. Lichtjahren Entfernung,
und die verzerrten Objekte sind ein Quasar und eine andere Galaxie.
Die Gravitationslinse
Hier kann man sehen, welche Lichtflecken jeweils von demselben Objekt stammen.
Die übrigen Galaxien gehören zum Galaxienhaufen.
Ein Bild vom Hubble Space Telescope (s. Astronomy picture of the day)
Das elektromagnetische Spektrum
Energie des Lichtes
Frequenz*Vakuumwellenlänge = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
(konstant!)
Die Gesamtenergie der elektromagnetischen Welle setzt sich zusammen aus der
Feldenergie, die von der Schwingungsamplitude des elektrischen Feldes abhängt
(~Intensität!), und aus der Schwingungsenergie, die von der Frequenz der Welle
abhängt.
Energie des Lichtes
Frequenz*Vakuumwellenlänge = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
(konstant!)
Die Gesamtenergie der elektromagnetischen Welle setzt sich zusammen aus der
Feldenergie, die von der Schwingungsamplitude des elektrischen Feldes abhängt
(~Intensität!), und aus der Schwingungsenergie, die von der Frequenz der Welle
abhängt.
Im Teilchenbild ist
●
die Energie des einzelnen Photons nur proportional zur Frequenz:
Photonenenergie = Planckkonstante * Frequenz
●
die Anzahl der Photonen nur proportional zur Intensität:
Photonenzahl ~ (Feldamplitude)²
Geometrische Strahlenoptik
Lichtspektren
Lichtspektren
Lichtspektren
Lichtspektren
Absorption und Emission
Entstehungsarten von Licht
Entstehungsarten von Licht
Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper
 „zufällige“ Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der
Temperatur des Körpers
 kontinuierliches Spektrum
Entstehungsarten von Licht
Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper
 „zufällige“ Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der
Temperatur des Körpers
 kontinuierliches Spektrum
Stimulierte Emission: Laser
 erzeugtes Licht und Molekülschwingungen beeinflussen sich gegenseitig
 Licht kann nur ganz bestimmte Frequenzen haben (oft nur eine einzige)
 extrem scharfes Linienspektrum
Entstehungsarten von Licht
Wärmeabstrahlung: Die Theorie vom schwarzen Körper
 „zufällige“ Abgabe von Lichtquanten, Gesamtverteilung abhängig von der
Temperatur des Körpers
 kontinuierliches Spektrum
Stimulierte Emission: Laser
 erzeugtes Licht und Molekülschwingungen beeinflussen sich gegenseitig
 Licht kann nur ganz bestimmte Frequenzen haben (oft nur eine einzige)
 extrem scharfes Linienspektrum
Lichtentstehung bei Kern- und Teilchenreaktionen:
 Kerne (oder andere Teilchen) nehmen energetisch günstigere Konstellation
ein
 überschüssige Energie wird als Photon freigesetzt
 jede dieser Reaktionen hat eine ganz bestimmte Photonenenergie (also
auch Frequenz)
 diese Photonen liegen üblicherweise weit jenseits des sichtbaren Bereichs
(Gammastrahlung)
Verschiedene Lichtquellen
Die Sonne – ein Fusionsreaktor
Verschiedene Lichtquellen
Die Sonne – ein Fusionsreaktor
(siehe Wikipedia!)
Verschiedene Lichtquellen
Die Glühlampe – eine Heizbirne
Verschiedene Lichtquellen
Die Leuchtstoffröhre (Energiesparlampe) –
ohne Neon, dafür mit Quecksilber
Verschiedene Lichtquellen
Die Leuchtdiode (LED) – pure Effizienz
Verschiedene Lichtquellen
Der Laser – Wunderspielzeug der Physiker:
 kohärent (lange zusammenhängende Wellenzüge wie im Lehrbuch)
 monochromatisch (Licht von nur einer oder wenigen Wellenlängen)
 ideal für genaue Messungen
Das CD-/DVD-Spektrometer
Die DVD – gute Auflösung (Leuchtstofflampe)
Die DVD – gute Auflösung (Leuchtstofflampe)
LED-Taschenlampe
LED-Taschenlampe
blaue LED (an der Festplatte)
blaue plus rote LED
grüne LED (am Lautsprecher)
Energiesparlampe
Energiesparlampe
Sonne
Wolke
Die CD – ungenauer, aber schöner
Die CD – ungenauer, aber schöner
Die CD – ungenauer, aber schöner
Die CD – ungenauer, aber schöner
Ein Lampenschirm mit Energiesparlampe...
...mit DVD
...mit DVD
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
...und mit CD betrachtet
Verschiedene Lichtquellen
Ausbreitung des Lichts
Huygens'sches Prinzip
Jeder Punkt einer bestehenden Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen
kugelförmigen Welle (Elementarwelle), die sich mit derselben Geschwindigkeit
und Frequenz ausbreitet wie die ursprüngliche Wellenfront. Die Einhüllende
aller Elementarwellen ergibt die Wellenfront zu einem späteren Zeitpunkt.
Polarisation
Polarisation
Polarisation von gespiegeltem Licht
Polarisation von gespiegeltem Licht
Polarisation von gespiegeltem Licht
Polarisation am Himmel
Polarisation am Himmel
Polarisation am Himmel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Spiegelung im Polarisationswinkel
Beugung
Beugung
Beugung
Interferenz
Konstruktive Interferenz
Destruktive Interferenz
Interferenz beim Doppelspalt
Interferenz beim Doppelspalt
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten
Der Photoeffekt
1887/88
Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch
Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs
1905
Erklärung des Photoeffekts durch Albert Einstein
Der Photoeffekt
1887/88
Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch
Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs
1905
Erklärung des Photoeffekts durch Albert Einstein
Der Photoeffekt
1887/88
Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch
Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs
1905
Erklärung des Photoeffekts durch Albert Einstein
Der Photoeffekt
Der Photoeffekt
EPhoton = hν
Die Bedeutung des Lichtes
für den Physiker:
●
„Quantennormale“,
●
Cäsium-Zerfall definiert Sekunde,
●
Lichtgeschwindigkeit definiert Meter
Kohlenstoffatom definiert Kilogramm
Die Bedeutung des Lichtes
für den Physiker:
●
„Quantennormale“,
●
Cäsium-Zerfall definiert Sekunde,
●
Lichtgeschwindigkeit definiert Meter
●
Kohlenstoffatom definiert Kilogramm
für die Kunst:
Licht ist die Voraussetzung für die darstellende Kunst.
Verschiedene Beleuchtungsspektren (z.B. In der Provence, in den Bergen, in
Murnau, im Museum etc.) und ihr Einfluss auf die Farbwirkung sowie optische
Effekte aller Art inspirieren Künstler immer wieder zu neuen Werken.
Ergänzungen zur Farbe
Aus physikalischer Sicht unterscheiden sich Farben nicht wesentlich – es ist nur
Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. Aus physikalischer Sicht gibt es
unendlich viele Grundfarben, da zwei Wellen mit unterschiedlichen
Wellenlängen nicht eine Welle mit einer anderen Wellenlänge erzeugen
können. Dies ist eine Täuschung durch unseren unvollkommenen Sehapparat:
Aus menschlicher Sicht gibt es nur drei Grundfarben, da wir mit drei
verschiedenen Farbsinneszellenarten auch nur drei verschiedene Farben
unterscheiden können.
Im Tierreich gibt es aber verschiedene Varianten des Farbsehens – von der
Farbenblindheit bis zur Vierfarbensichtigkeit.
Ergänzungen zur Farbe
Ergänzungen zur Farbe
Absorptionsmaxima verschiedener Zapfentypen im
Vergleich (Wellenlänge der Absorptionsmaxima in nm)
Zapfentypen:
Mensch [1]
Mensch [2]
UV
424
420
S
530
535
M
560
565
L
-
Pferd
Vögel [1]
Goldfisch[3]
370
356
428
445
447
539
508
537
565
623