Was ist Licht? - IAP TU

Was ist Licht?
Einmal Welle-Teilchen und zurück
Thomas Walther
Laser und Quantenoptik
Institut für Angewandte Physik
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptik | TU Darmstadt | 1
Donnerstag, 27. Oktober 11
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt |
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Donnerstag, 27. Oktober 11
2
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt |
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Donnerstag, 27. Oktober 11
2
Wie entsteht Licht?
Temperatur
http://www.mpi-hd.mpg.de/
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http://www.seewetter-kiel.de/
Wie entsteht Licht? Lumineszenz
Gasentladung
Farbstoffzellen
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Wie entsteht Licht?
Synchrotronstrahlung
Free Electron Laser
ESRF
Grenoble
Synchrotronstrahlung
Quelle: www.lightsources.org
FEL
TU Darmstadt
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Woher kommt die Farbe?
←
Zunehmende Frequenz
Zunehmende Wellenlänge→
Zunehmende Wellenlänge in nm →
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Farben und die Geschlechter
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Unsere Farbwahrnehmung
Logarithmische Skala
Empfindlichkeitskurven:
x( )
y( )
z( )
Wellenlänge / nm
H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992) 397-401
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Unsere Farbwahrnehmung
Logarithmische Skala
( ) = spektrale Verteilung
Wellenlänge / nm
H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992) 397-401
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Farbmodell
Th. Smith, J. Guild, "The C.I.E. colorimetric standards and their use", Trans. Opt. Soc. 33, 73 (1931-32)
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Farbmischung
Additiv:
Subtraktiv:
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Vergleich anderer Farbmodelle
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Al Hazen (965 -1038 n. Chr.)
•
Kamera obscura, Reflexion, Brechung, Linsen
Opticae Thesaurus Alhazeni
http://www.historyofscience.com/
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Linsen und Brillen
Salvino d’Armate
Alessandro Spina
Roger Bacon (13. Jahrhundert):
der Vater der Experimentalphysik
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Brille aus dem
15. Jahrhundert
Was ist Licht? Welle oder Teilchen?
Christiaan Huygens
(1629-1695)
Robert Hooke
(1635 - 1703)
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Sir Isaac Newton
(1642 – 1727)
Beugung
J. Fraunhofer (1787 - 1826)
A. J. Fresnel (1788 - 1827)
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Beugung
Schirm
Blende
Spaltgröße
Lichtquelle
ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage, 2010
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Interferenz - Doppelspaltexperiment
Thomas Young (1773-1829)
Wasserwellen
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Doppelspaltexperiment
ThW, H. Walther; Was ist Licht?; Beck Verlag, 3. Auflage, 2010
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Elektro-magnetische Wellen
James Clerk Maxwell (1831-1879)
•
•
Existenz von elektro-magnetischen Wellen
Licht ist eine elektro-magnetische Welle
Heinrich Hertz (1857-1894)
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Elektro-magnetisches Spektrum
http://www1.sura.org/2000/SURA_Electromagnetic_Spectrum_Full_Chart.jpg
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Geschichtlicher Überblick: Licht
Geometrische Optik (Landvermessung)
Brechung
Wirkung von Linsen
Atmosphärische optische Erscheinungen
17. Jahrhundert
Wesen des Lichts
Wellenvorstellung
Richard Hook
Christian Huygens
Thomas Young 1801
Louis Malus, Polarisation 1808
Augustin Jean Fresnel
Joseph Fraunhofer
19. Jahrhundert
Ende des 19. Jahrhunderts:
Licht ist elektromagnetische Welle
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Teilchenvorstellung
Isaac Newton
Michael Faraday
James Clerk Maxwell
Heinrich Hertz 1888
Die Situation der Physik vor 1900
!Klassische Mechanik
! Bewegung, Rotation, Pendel, Planetenbewegung, Schwerkraft
! Newton, Kepler, Copernikus, Galilei u.a.
!Kinetische Gastheorie
! Erklärung der Wärmetheorie mit Elementen der Mechanik
!Elektrische und Magnetische Felder
! Elektrische Felder, magnetische Felder, Strom, Ladungen
! Faraday, Maxwell, Hertz, Gauss, Ampere, Volta u.a.
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Stand der Physik um 1900
•
Grundsätzliche Theorien bekannt
•
•
Wenige Ungereimtheiten
Bessere Experimente werden Lücken füllen
Schwarzkörperstrahlung
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Entwicklung der Quantenphysik
Energiedichte eines strahlenden Körpers (Wärmestrahlung)
Paschen
Lummer
Pringsheim
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~1900
Ultraviolett-Katastrophe
Strahlungsintensität
Ultraviolett-Katastrophe
Rayleigh-Jeans Gesetz
0
400
800
1200
1600
2000
Wellenlänge in nm
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2400
2800
3200
3600
4000
1900 - die Geburtsstunde der
Quantenmechanik
E
ie
g
r
e
n
E=hf
Fre
que
Plancksches
Wirkungsquantum
Nur eine andere Gleichung hat die gleiche Bedeutung
1905
E = mc2
Albert Einstein
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nz
Plancksches Wirkungsquantum h
h
= 6.62607544267 × 10-34 Js
= 0.000 000 000 000 000
000 000 000 000 000
000 662 607 544 267 Js
• h hat sehr kleinen Wert
• keine Bedeutung für tägliche Erfahrung
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Rasante Entwicklung der Quantenphysik
1905
A. Einstein
Erklärung des Photoeffektes
durch Existenz von
Lichtteilchen (Photon)
1913
N. Bohr
Atommodell
1916
A. Sommerfeld
Erweiterung des Atommodells
1925
W. Heisenberg
E. Schrödinger
P. Dirac
Matrizenmechanik
Wellenmechanik
Quanten-Algebra
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Äqui
vale
nte
For m
u l ie
rung
en
5. Solvay Konferenz 1927
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Doppelspaltexperiment
ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage, 2010
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Doppelspaltexperiment mit einzelnen
Photonen?
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Doppelspaltexperiment: Komplementarität
Interpretation nach Wheeler
Lichtquelle
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Der Doppelspalt
(Drawing by Chas. Addams; © 1940 The New Yorker Magazine, Inc.)
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Donnerstag, 27. Oktober 11
Diskussion zwischen Bohr und Einstein
• Welle-Teilchen Dualismus
• Entscheidung durch das Experiment
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Quantenphysik: Licht (Einstein 1917)
A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, 121-128 (1917)
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Quantenphysik: Licht (Einstein 1917)
Absorption
Spontane
Emission
Stimulierte
A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, 121-128 (1917)
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Funktionsweise des Lasers
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Stimulierte Emission
Laserlicht
Spiegel
Spiegel
Spontane Emission
gerichtet
→
große Reichweite, hohe Leistungsdichte
monochromatisch →
Selektivität
kohärent
spezielle Meßmethoden
→
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16. Mai 1960 - Der erste Laser
>50
Jah
re
Las
er
Theodore Maiman
Erfinder des Rubinlasers (1960)
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Laser heute
Ti:Saphir Laser
NIF, Livermore, California
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Faserverstärker
VCSEL
Alltag
ThW, H. Walther; Was ist Licht?,
Beck Wissen, 3. Auflage (2010)
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Donnerstag, 27. Oktober 11
Temperaturskalen
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 41
Donnerstag, 27. Oktober 11
Strahlungsdruck
Licht = Teilchen
Energie
Impuls
Strahlungsdruck
makroskopisch: Kometenschweif
mikroskopisch: Kühlen von Atomen
Atom
ω
Beschleunigung entspricht etwa
10,000mal Erdbeschleunigung
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Donnerstag, 27. Oktober 11
Magneto-Optische Falle
Abbremsen →
Einfangen →
Geschwindigkeitsabhängige Kraft
Ortsabhängige Kraft
Kris Helmerson,
NIST, Gaithersburg
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Verteilung
Verteilung
Verdampfungskühlung in Magnetfalle
Energie
Energie
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Bose-Einstein Kondensation
Ketterle et al., MIT, Boston
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Donnerstag, 27. Oktober 11
Bose-Einstein Kondensat
Satyendra Nath Bose
Atome mit gleicher Geschwindigkeit
BEC: Atome mit gleicher Geschwindigkeit und Phase (“Gleichschritt”)
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Bose-Einstein Kondensat
Satyendra Nath Bose
Atome mit gleicher Geschwindigkeit
BEC: Atome mit gleicher Geschwindigkeit und Phase (“Gleichschritt”)
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 46
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BEC: kohärente Materiewellen
• Trennen eines BEC in 2
Anteile
• Freie Expansion
• Abbildung durch
Lichtabsorption
• Gegenseitiges Durchdringen
der Anteile führt zu
Interferenzerscheinungen
Ketterle et al, Boston
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Welle-Teilchen Dualismus
Louis de Broglie
We
e
g
n
ä
llenl
λ=
se
s
a
M
Entscheidung durch das Experiment
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Donnerstag, 27. Oktober 11
Planc
ksche
Wirku
s
ngsqu
antum
h
mv
Ge s c
hw in
d
igke
it
Welle-Teilchen Dualismus im „Alltag“
Masse
Größe
1 500 kg
4m
50 km/h
3×10-38 m
0,420 kg
22 cm
100 km/h
6×10-35 m
10-24 kg
7×10-10 m
720 km/h
3×10-12 m
2×10-26 kg
10-10 m
4 km/h
3×10-8 m
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 49
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Geschwindigkeit Wellenlänge
Zusammenfassung
Licht im Wandel der Zeit
• Grundlagenforschung ist unverzichtbar
• Licht ist Welle und Teilchen
• Experiment(ator) entscheidet
• Manipulation einzelner Atome ist möglich
• Innere und äußere Freiheitsgrade
• Optik ist „modern“
• Vielzahl von Anwendungen
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 50
Donnerstag, 27. Oktober 11
Emu Träume
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 51
Donnerstag, 27. Oktober 11
29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt |
Donnerstag, 27. Oktober 11