03.02.2003: V21

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Polarisation des Lichtes
Licht = transversal
schwingende el.-magn. Welle
Polarisationsrichtung:
Richtung des el. Feldvektors
Polarisationsarten:
Polarisationsarten
– unpolarisiert: keine
Raumrichtung bevorzugt
(z.B. Glühbirne)
– linear polarisiert: Licht
schwingt in definierter
Ebene
– zirkular (bzw. elliptisch)
polarisiert: Licht schwingt
schraubenförmig
Erzeugung/Nachweis:
Erzeugung/Nachweis
– Der Polfilter absorbiert
Licht einer
Polarisationsrichtung, die
andere geht durch
(Dichroismus)
unpolarisiertes Licht
Polarisationsfilter:
Polarisator
linear
polarisiertes
Licht
Polarisation des Lichtes
Licht
= transversal
Erzeugung/Nachweis:
Erzeugung/Nachweis
schwingende
el.-magn.
Welle
– Der Polfilter
absorbiert
Polarisationsrichtung:
Licht einer
Polarisationsrichtung,
die
Richtung
des el. Feldvektors
andere geht durch
Polarisationsarten:
Polarisationsarten
(Dichroismus) keine
– unpolarisiert:
– Raumrichtung
Reflektiertes und
bevorzugt
gebrochenes
(z.B.
Glühbirne)Licht ist
(teilweise)
polarisiert
– linear
polarisiert:
Licht
schwingt in definierter
Ebene
– zirkular (elliptisch)
polarisiert: Licht schwingt
schraubenförmig
Erzeugung/Nachweis:
Erzeugung/Nachweis
– Der Polfilter absorbiert
Licht einer
Polarisationsrichtung, die
andere geht durch
unpolarisiertes
LichtLicht unter dem
linear
Reflektiertes
polarisiertes
Brewster Winkel ist 100% polarisiert.
Andersherum polarisiertes Licht Licht
wird
nicht reflektiert. Es gilt:
α + β = 90°
sin α
sin α
=
= tan α
n=
Polarisationsfilter:
sin β sin(90° − α )
Polarisator
unpolarisiertes
Licht
linear
polarisiertes
Licht
Polarisation des Lichtes
Erzeugung/Nachweis:
Erzeugung/Nachweis
– Der Polfilter absorbiert
Licht einer
Polarisationsrichtung, die
andere geht durch
(Dichroismus)
– Reflektiertes und
gebrochenes Licht ist
(teilweise) polarisiert
– Gestreutes Licht ist
teilweise polarisiert;
Beispiel: Luft in der
Atmosphäre streut das
Sonnenlicht (darum ist
der Himmel nicht
schwarz). Dieses ist
polarisiert, was den
Bienen zur Orientierung
dient.
unpolarisiertes
Licht
linear
polarisiertes
Licht
Polarisation des Lichtes
Erzeugung/Nachweis:
Erzeugung/Nachweis
– Der Polfilter absorbiert
Licht einer
Polarisationsrichtung, die
andere geht durch
(Dichroismus)
– Reflektiertes und
gebrochenes Licht ist
(teilweise) polarisiert
– Gestreutes Licht ist
teilweise polarisiert;
Beispiel: Luft in der
Atmosphäre streut das
Sonnenlicht (darum ist
der Himmel nicht
schwarz). Dieses ist
polarisiert, was den
Bienen zur Orientierung
dient.
Nicolsche
Prisma
100% linear
polarisiertes
Licht
– Doppelbrechung: Verschiedene
Polarisationsrichtungen haben
unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit
unterschiedliche Brechzahlen.
– Beim Nicolschen Prisma wird dieser
Effekt genutzt um polarisiertes Licht zu
erzeugen.
Polarimetrie
Polarimetrie: Messung der
Polarisationsrichtung.
Z.B. Probe zwischen gekreuzte
Polfilter. Es wird hell? Manche
Materialen verändern die
Polarisationsrichtung.
Optische Aktivität:
Einige Stoffe drehen die
Polarisationsrichtung des
Lichts
Drehwinkel α hängt ab von:
Länge l der Probe
Konzentration c
Temperatur
Typ des Lösungsmittels
Wellenlänge
(Rotationsdispersion)
unpolarisiertes
Licht
α = [α ]D ⋅ l ⋅ c
Spezifische Drehvermögen
linear
polarisiertes
Licht
2. Polarisationsfilter:
Analysator
Probe
Beobachter
Polarimetrie
Anwendung: Bestimmung der
Konzentration einer Zuckerlösung
(rechts- bzw. linksdrehender Zucker)
Genauere Messung durch
„Halbschattenmethode“: obere Hälfte
durchläuft Plättchen mit definierter
Drehung. Dann wird Analysator so
eingestellt dass oben und unten gleiche
Helligkeit ist.
Geistesgegenwärtig
hatte Gott damals vom Urknall
ein Photo geschossen
welches er immer noch recht
eindrucksvoll fand.
Der Urknall
und danach
Standardmodell der
Teilchenphysik:
Alles in dieser Welt ist aus
punktförmigen fundamentalen
Bausteinen aufgebaut:
Quarks & Elektronen
(bzw. Leptonen)
Quarks klumpen zusammen
und bilden
Protonen & Neutronen
Protonen + Neutronen =
Atomkern
Kern + Elektronenhülle =
Atom
Atom + Atom = Molekül
Moleküle bilden Gase,
Flüssigkeiten, Festkörper
Also: quantenmechanische
Legosteinphysik...☺
15 Gyr
= heute
Hunde,
Katzen etc.
1 Gyr
300 kyr
Moleküle
Atome
Atomkerne
3 min
1 msec
Protonen,
Neutronen
Quarks,
Elektronen
Zeit
Urknall
22
Atomphysik
1 Angström = 10-10 m
Atomkerne haben eine Größe
von etwa 1 Fermi = 10-15 m Protonen
Atome sind im wesentlichen
leer! 99.9% der Masse
befindet sich im Kern!
Das leichteste Atom (H)
wiegt 1g/NA=1.6 * 10-24 g
Streuexperimente
Atome
Materie besteht aus Atomen =
ατοµοσ = „unteilbare“ Bausteine
Atome sind teilbar. Sie bestehen
bestehen aus einem kleinen
kompakten Kern und einer Hülle
aus Elektronen
Die Elektronen der äußeren Hülle
definieren die chemischen
Eigenschaften
Streuversuche erlauben die Atome
Untersuchung von Atomen sowie
ihrer Bestandteile und
Wechselwirkungen
Atome haben einen
Durchmesser von etwa
Das Atom
Bohrsche Atommodell:
– Fast die ganze Masse des
Atoms ist im Kern
konzentriert
– Der Kern enthält Z positiv
geladene Protonen
– Ein neutrales Atom enthält Z
Elektronen, die den Kern wie
in einem Planetensystem
umkreisen
– Nur bestimmte Bahnen sind
erlaubt. (Schalen)
– Jeder Bahn entspricht ein
bestimmter Energiezustand.
– Springt ein Elektron von
äußeren Bahn zu einer
inneren Bahn so gibt es
diese Energie als el.-magn.
Strahlung ab.
Z = Ordnungszahl
im Periodensystem
Elektronenbahn
– Absorbiert es genau diese
Energie, so springt es auf
die entsprechend
passende äußere Bahn
– Es gilt ∆W = h f
h = Plancksches
Wirkungsquantum
= 6.626*10-34 Js
f = Frequenz der
absorbierten bzw.
abgestrahlten Welle
∆W= Energieunterschied der Bahnen
Das Atom
Bohrsche Atommodell:
Quantenmechanische Atommodelle:
Wir wissen heute, dass die Elektronen nicht
auf einfachen Bahnen fliegen. Die
Quantenmechanik beschreibt das Atom
durch Wolken mit bestimmten
Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für
Elektronen.
Es gilt trotzdem die einfache
Formel
∆W = h f
Elektronenbahn
Elektronenwolke
Elektronenwolken
Ein bestimmtes
Elektron hält sich an
bestimmten Orten in
der Umgebung des
Kerns mit
unterschiedlicher
Wahrscheinlichkeit auf
Das Atom
Woher wissen wir das?
Franck-Hertz Versuch:
Die Energie eines
Elektronenstrahls wird
langsam hochgefahren
Bei gewissen Schwellenenergien sinkt der Strom ab
Interpretation: Abnahme
immer dann wenn die Energie
ausreicht um Hüllenelektronen aus ihren Schalen
zu werfen.
Also sind die Energiezustände im Atom quantisiert
Das Atom
Woher wissen wir das?
Die Spektrallinien der Atome:
Anregung z.B. durch Gasentladung (Elektronen
werden auf höherliegende Bahn gestoßen)
Herunterfallen erzeugt für das Atom
charakteristische Lichtfrequenzen: die
Spektrallinien. Es gilt
∆W = h f
Für Wasserstoff gilt:
Energie der n-ten Bahn
1
Wn = const ⋅ 2 n = 1,2,...
n
Also:
1 
 1
h f = const ⋅  2 − 2 
m 
n
Elektronen fallen vom angeregten
Zustand zum Grundzustand hinunter
Absorption
Re-Emission
Das Atom
Für Wasserstoff gilt:
Energie der n-ten Bahn
1
Wn = const ⋅ 2 n = 1,2,...
n
Anschauliche Erklärung für die
Quantisierung der erlaubten Bahnen:
Elektronen verhalten sich wie Wellen: λ = h /
Elektronen bilden stehende Wellen beim
Umlaufen des Atoms
Umfang und Wellenlänge müssen ein
ganzzahliges Verhältnis bilden
p
Periodensystem
Sortieren der Elemente nach der
Ordnungszahl Z
= Kernladungszahl
= Anzahl der Protonen im Kern
= Anzahl der Elektronen in der Hülle
Die chemischen Eigenschaften
wiederholen sich in Perioden der
2
2
2
2
Länge 2 ⋅1 , 2 ⋅ 2 , 2 ⋅ 3 , 2 ⋅ 4 ,...
Die Periodenlängen werden in
der Quantenphysik erklärt.
Dazu werden sogenannte
Quantenzahlen eingeführt
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