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
