Was ist Licht?

Seminarvortrag 20.03.2007
Eibl Manfred
Licht als Welle:
Beugung
Interferenzerscheinungen
Doppelspaltversuch
Licht als Teilchen:
Photoeffekt
Comptomstreuung
Maxwellsche Gln. (1861-1864):

div( D)  

div( B )  0

 
rot( E )   B

 t  
rot( H )  j  D
t
Wellengleichung aus Maxwellgleichungen:

 1  E
E  2 2
c t
2
Hertz (1886):
Nachweis elektromagnetischer Wellen
mit Hertzschem Dipol
Transversale Schwingung von elektrischen und magnetischen Feldern:
Frequenz: n
Wellenlänge: l
Lichtgeschwindigkeit: c
n=c/l
Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichts ist für seine Farbe verantwortlich.
Festlegung der Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante (1986):
c=299 792 485 m/s
Definition des Meters über die Lichtgeschwindigkeit:
1 Meter ist die Länge, die das Licht in 1/299793485 Sekunden zurücklegt.
Vorteil:
Die Lichtgeschwindigkeit ist in jedem inertialen Bezugssystem dieselbe (SRT).
Folgerung für elektromagnetische Wellen:
Licht muss eine transversale Welle sein.
Prinzip von Huygens(1678):
Von jedem Punkt einer Wellenfront breiten sich "Elementarwellen" kugelförmig aus.
Die resultierende Wellenfront ist die Einhüllende der Elementarwellen.
Zusatz von Fresnel(1818):
Die Amplitude der Lichtschwingung an einem Punkt ist die Summe der
Amplituden, die durch die Elementarwellen erzeugt werden.
„Superpositionsprinzip“
Konstruktive Interferenz:
Voraussetzung:
Destruktive Interferenz:
konstante
Phasenbeziehungen
(Kohärenz)
Kohärenzzeit bzw. Kohärenzlänge:
Während der Kohärenzzeit sind
die Phasender überlagerten Wellen
stabil → Interferenz.
tc~1/f
Räumliche Kohärenz:
f… Spektrum
der Lichtquelle
lc = ctc
Thermische Lichtquelle (weißes Licht):
Laser:
Typische Kohärenzzeiten: Glühlampe
< 3fs bzw. < 10-6m
Natriumdampf < 3ns bzw. < 1m
Laser
< 3ms bzw < 106m
Young(1805):
I~|E|2
Interferenz an dünnen Schichten:
Laser-Speckle:
Anwendungen: Oberflächenanalyse, Längenmessungen
Einstein (1905):
Energie:
E=hn
Impuls:
p=h/l
Annalen der Physik, S. 132-148, 1905
Drehimpuls (Spin): Polarisation
Ekin= hn - P
P… Austrittsarbeit für Elektronen
Plancksche Konstante:
h = 6.626.10-34 Js
Bestimmung aus dem
Anstieg der Geraden
Experiment:
Compton:
Nobelpreis 1927
Versuchsbedingung:
Starke Abschwächung des Lichts
nur 1 Photon befindet sich im Versuchsaufbau
?
P.M. Dirac: “Each photon then interferes only with itself.
Interference between two different photons never occurs.“
The Principles of Quantum Mechanics
Fourth Edition, Chapter 1
Das Auge ist so empfindlich, dass es ca. 5-6 Photonen detektieren kann.
Die Funktionsweise ist ähnlich ein dem Photoelektrischen Effekt.
Sehen in der Dunkelheit:
Die Umgebung wird sofort wahrgenommen.
Es gibt kein Aufhellen der Umgebung im Laufe der Zeit.
(nach der Gewöhnung des Auges an die Dunkelheit)