Was ist Licht? - IAP TU
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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/ 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 3 Donnerstag, 27. Oktober 11 http://www.seewetter-kiel.de/ Wie entsteht Licht? Lumineszenz Gasentladung Farbstoffzellen 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 4 Donnerstag, 27. Oktober 11 Wie entsteht Licht? Synchrotronstrahlung Free Electron Laser ESRF Grenoble Synchrotronstrahlung Quelle: www.lightsources.org FEL TU Darmstadt 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 5 Donnerstag, 27. Oktober 11 Woher kommt die Farbe? ← Zunehmende Frequenz Zunehmende Wellenlänge→ Zunehmende Wellenlänge in nm → 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 6 Donnerstag, 27. Oktober 11 Farben und die Geschlechter 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 7 Donnerstag, 27. Oktober 11 Unsere Farbwahrnehmung Logarithmische Skala Empfindlichkeitskurven: x( ) y( ) z( ) Wellenlänge / nm H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992) 397-401 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 8 Donnerstag, 27. Oktober 11 Unsere Farbwahrnehmung Logarithmische Skala ( ) = spektrale Verteilung Wellenlänge / nm H. Irtel, Behavior Research Methods, Instrumentation & Computers, 24 (1992) 397-401 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 9 Donnerstag, 27. Oktober 11 Farbmodell Th. Smith, J. Guild, "The C.I.E. colorimetric standards and their use", Trans. Opt. Soc. 33, 73 (1931-32) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 10 Donnerstag, 27. Oktober 11 Farbmischung Additiv: Subtraktiv: 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 11 Donnerstag, 27. Oktober 11 Vergleich anderer Farbmodelle 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 12 Donnerstag, 27. Oktober 11 Al Hazen (965 -1038 n. Chr.) • Kamera obscura, Reflexion, Brechung, Linsen Opticae Thesaurus Alhazeni http://www.historyofscience.com/ 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 13 Donnerstag, 27. Oktober 11 Linsen und Brillen Salvino d’Armate Alessandro Spina Roger Bacon (13. Jahrhundert): der Vater der Experimentalphysik 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 14 Donnerstag, 27. Oktober 11 Brille aus dem 15. Jahrhundert Was ist Licht? Welle oder Teilchen? Christiaan Huygens (1629-1695) Robert Hooke (1635 - 1703) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 15 Donnerstag, 27. Oktober 11 Sir Isaac Newton (1642 – 1727) Beugung J. Fraunhofer (1787 - 1826) A. J. Fresnel (1788 - 1827) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 16 Donnerstag, 27. Oktober 11 Beugung Schirm Blende Spaltgröße Lichtquelle ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage, 2010 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 17 Donnerstag, 27. Oktober 11 Interferenz - Doppelspaltexperiment Thomas Young (1773-1829) Wasserwellen 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 18 Donnerstag, 27. Oktober 11 Doppelspaltexperiment ThW, H. Walther; Was ist Licht?; Beck Verlag, 3. Auflage, 2010 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 19 Donnerstag, 27. Oktober 11 Elektro-magnetische Wellen James Clerk Maxwell (1831-1879) • • Existenz von elektro-magnetischen Wellen Licht ist eine elektro-magnetische Welle Heinrich Hertz (1857-1894) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 20 Donnerstag, 27. Oktober 11 Elektro-magnetisches Spektrum http://www1.sura.org/2000/SURA_Electromagnetic_Spectrum_Full_Chart.jpg 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 21 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 22 Donnerstag, 27. Oktober 11 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. 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 23 Donnerstag, 27. Oktober 11 Stand der Physik um 1900 • Grundsätzliche Theorien bekannt • • Wenige Ungereimtheiten Bessere Experimente werden Lücken füllen Schwarzkörperstrahlung 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 24 Donnerstag, 27. Oktober 11 Entwicklung der Quantenphysik Energiedichte eines strahlenden Körpers (Wärmestrahlung) Paschen Lummer Pringsheim 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 25 Donnerstag, 27. Oktober 11 ~1900 Ultraviolett-Katastrophe Strahlungsintensität Ultraviolett-Katastrophe Rayleigh-Jeans Gesetz 0 400 800 1200 1600 2000 Wellenlänge in nm 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 26 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 27 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 28 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 29 Donnerstag, 27. Oktober 11 Äqui vale nte For m u l ie rung en 5. Solvay Konferenz 1927 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 30 Donnerstag, 27. Oktober 11 Doppelspaltexperiment ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Verlag, 3. Auflage, 2010 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 31 Donnerstag, 27. Oktober 11 Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen? 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 32 Donnerstag, 27. Oktober 11 Doppelspaltexperiment: Komplementarität Interpretation nach Wheeler Lichtquelle 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 33 Donnerstag, 27. Oktober 11 Der Doppelspalt (Drawing by Chas. Addams; © 1940 The New Yorker Magazine, Inc.) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 34 Donnerstag, 27. Oktober 11 Diskussion zwischen Bohr und Einstein • Welle-Teilchen Dualismus • Entscheidung durch das Experiment 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 35 Donnerstag, 27. Oktober 11 Quantenphysik: Licht (Einstein 1917) A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, 121-128 (1917) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 36 Donnerstag, 27. Oktober 11 Quantenphysik: Licht (Einstein 1917) Absorption Spontane Emission Stimulierte A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, 121-128 (1917) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 36 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 → 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 37 Donnerstag, 27. Oktober 11 16. Mai 1960 - Der erste Laser >50 Jah re Las er Theodore Maiman Erfinder des Rubinlasers (1960) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 38 Donnerstag, 27. Oktober 11 Laser heute Ti:Saphir Laser NIF, Livermore, California 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 39 Donnerstag, 27. Oktober 11 Faserverstärker VCSEL Alltag ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Wissen, 3. Auflage (2010) 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 40 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 42 Donnerstag, 27. Oktober 11 Magneto-Optische Falle Abbremsen → Einfangen → Geschwindigkeitsabhängige Kraft Ortsabhängige Kraft Kris Helmerson, NIST, Gaithersburg 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 43 Donnerstag, 27. Oktober 11 Verteilung Verteilung Verdampfungskühlung in Magnetfalle Energie Energie 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 44 Donnerstag, 27. Oktober 11 Bose-Einstein Kondensation Ketterle et al., MIT, Boston 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 45 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 Donnerstag, 27. Oktober 11 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 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 47 Donnerstag, 27. Oktober 11 Welle-Teilchen Dualismus Louis de Broglie We e g n ä llenl λ= se s a M Entscheidung durch das Experiment 29. Oktober 2011 | Thomas Walther | Laser und Quantenoptk | TU Darmstadt | 48 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 Donnerstag, 27. Oktober 11 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
