Wellencharakter und Teilchencharakter des Lichts.

Wellencharakter und
Teilchencharakter des
Lichts.
Lichtstrahlen
Licht breitet sich gradlinig aus und kann somit als Lichtstrahlen beschrieben
werden. Somit legt das Licht immer die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten
zurück. Dies führt unter anderem zu Schatten.
Wellencharakter
Licht zeigt auch viele
Eigenschaften, die mit dem
Modell von Licht als Welle
erklärt werden können. Licht
wird u.a. gebrochen (Bild).
Brechungsindex
Beim Übergang zwischen zwei Medien bleibt die Information (die Anzahl von
Schwingungen) und damit die Frequenz erhalten, jedoch ändert sich die
Lichtgeschwindigkeit, welches zur Brechung führt. Damit ändert sich auch die
Wellenlänge. Daraus definieren wir den Brechungsindex:
n
cVakuum Vakuum

cMedium Medium
Aufgabe: Der Brechungsindex
hängt von der Wellenlänge ab.
Benutze dies um zu erklären,
wieso Prismen weises Licht in
verschiedenen Farben aufteilt.
Snellius-Gesetz
Das Brechungsgesetz
ist folgende
Beziehung zwischen
dem Einfallswinkel δ1
und dem Winkel δ2
des gebrochenen
Strahls:
n1 sin(  2 )

n2 sin( 1 )
Snellius-Gesetz
Aufgaben:
1.
2.
Licht trifft von Luft auf Wasser. Der Brechungsindex von Luft ist 1, während
der Brechungsindex von Wasser 1,33 ist. Berechne daraus den
Brechungswinkel, wenn der Einfallswinkel 40o beträgt.
Licht trifft von Wasser auf Luft. Benutze die Angaben aus Aufgabe 1 um
daraus den Brechungswinkel zu berechnen, wenn der Einfallswinkel 40o
beträgt.
Totalreflexion
Wenn n1 größer als n2 ist
kann es bei Winkel über
einem kritischem Winkel δ2
passieren, dass sin(δ2)
größer wird als 1, was
natürlich nicht geht. Bei
solchen Winkeln kann das
Licht nicht von Medium 1
auf Medium 2 wechseln.
Aufgabe: Berechne aus den
Informationen auf dem
vorangegangen Slide den
Kritischen Winkel für den
Übergang zwischen Wasser
und Luft.
δ2
Beugung
Licht wird an schmalen Spalten und Hindernissen gebeugt. Wie für mechanische
Wellen, gilt also das huygenssche Prinzip für Licht.
Schmale Spalte
Breite Spalte
Interferenz
Wie mechanische Wellen tritt bei Licht Interferenz auf. Stelle dir vor, Licht wird
durch einen Doppeltspalt geschickt und trifft dann auf einen Schirm. Es treten in
diesem Experiment Interferenzstreifen auf: Streifen, wo das Licht verstärkt wird,
und Streifen, wo das Licht Ausgelöscht wird.
Verstärkung und Auslöschung
Am Doppeltspalt tritt Verstärkung (Interferenzmaxima) auf, wenn die Differenz (Δs)
zwischen den vom Licht zurückgelegten Wegen 0, λ, 2λ, 3λ, 4λ… beträgt. Wieso?
s  k   ,
k  0,1,2,3...
Auslöschung (Interferenzminima) tritt auf, wenn die Differenz (Δs) zwischen den vom
Licht zurückgelegten Wegen λ/2, 3λ/2, 5λ/2… beträgt. Wieso?
s  (2k  1)

2
,
k  0,1,2,3...
Aufgabe: Lese und bespreche in Gruppen die Herleitung in „Eine Gleichung für die
Interferenzmaxima“ auf Seite 146.
Optisches Gitter
Wie für die Doppeltspalte, treten Interferenzmaxima im Falle eines Gitters mit
vielen spalten damit auf, sofern
k   (Gittergleichung)
sin(  k ) 
b
Hier bezeichnet b den Spaltabstand und αk den Winkel zum 0. Maximum (k=0).
Aufgabe: 4, 6 und 7 auf Seite 156.
CDs
Auch CDs Reflexionsgitter agieren. Der Spurenabstand (b) beträgt 1,6x10-6 m. Auch
hier gilt also die Gittergleichung.
Aufgabe: Erkläre, wie bei einer mit weißem Licht beleuchteten CD die
unterschiedlichen Farben zustande kommen.
Aufgabe: Das Licht von einem Laser wird auf einer CD reflektiert und trifft auf einem
Schirm in einer Entfernung von 2 m, wo deshalb ein Interferenzmuster erscheint. Die
Wellenlänge des Lichts beträgt 633 nm. Berechne hieraus den Winkel zum ersten
Maximum, α1.
Der Fotoeffekt
Scheint Licht auf eine Oberfläche werden Elektronen herausgelöst.
Der Fotoeffekt
Um die Elektronen herauszulösen
muss eine gewisse Energie. Wenn
die Energie nicht ausreicht um die
Elektronen herauszulösen, genügt
es im Wellenmodell die Intensität
des Lichts zu erhöhen.
Dies ist aber FALSCH. Stattdessen lösen
sich Elektronen nur, wenn die
Frequenz des Lichts klein genug ist.
Der Fotoeffekt
Albert Einstein erklärte dieses Phänomen, indem er postulierte, dass Licht eine
Teilchencharakter hat: es besteht aus Quanten, sogenannten Photonen. Jedes
Photon hat die Energie
E  h f ,
h  6,626 1034 J  s
In welchen Zusammenhang kam diese Gleichung in der neunten Klasse vor? Falls
also die Arbeit WA benötigt wird um das Elektron von der Oberfläche zu lösen,
folgt aus der Erhaltung der Energie, dass
h  f  EKin  WA
Aufgabe: Diskutiere Die Grafik auf S. 150, sowie die Grafiken auf dem
vorangegangenem Slide. Mache Aufgabe 16, 17 und 18 auf S. 157.