Licht – Maß der (kleinen) Dinge

beugung und interferenz | einfachspalt
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Licht – Maß der (kleinen) Dinge
Schallwellen breiten sich um eine Häuserecke herum aus.
Haben Sie sich schon mal gefragt, warum kann man zwar 'um die Ecke' hören, aber nicht sehen kann? Erreichen Schallwellen z.B. eine Häuserecke, breiten sie sich von dort in alle Richtungen aus, also auch hinter der Ecke. Dieser für Wellen typische Effekt wird Beugung genannt. Bekanntlich verhält sich auch Licht als Welle. Warum also soll dann Licht nicht um die Ecke scheinen können?
Genaugenomen scheint Licht auch um Ecken. Allerdings in einem wesentlich kleineren Maßstab: Lichtwellen sind rund eine Millionen mal kürzer als hörbare Schallwellen. Daher ist der Effekt so klein, dass wir ihn normalerweise nicht wahrnehmen. Stellt man allerdings ein winziges Objekt in einen Laserstrahl, erscheint ein interessantes Lichtmuster hinter dem Objekt: Das Muster entsteht, weil die Lichtwellen an dem Objekt genauso gebeugt werden wie die Schallwellen an einer Häuserecke. Versteht man diesen Effekt, kann man ihn nutzen, um sehr kleine Dinge zu vermessen, selbst in der Größenordnung von Mikro-­‐ oder gar Nanometern. Licht wird damit zum Maßstab der Nanowelt.
Im folgenden Experiment werden Sie die Beugung von Licht verwenden, um z.B. die Breite Ihrer Haare zu vermessen. !
Die Experimente dürfen nur unter Befolgung der Laserschutzbes,mmungen durchgeführt werden!
Vorbereitung: Machen Sie sich einen Schirm von min. 8 cm Breite, z.B. indem Sie einen NoEzzeFel an einen Ordner heHen. Stellen Sie dann den Laser in etwa 1,2 m EnKernung so auf, dass Sie einen kleinen hellen Punkt in der MiFe des Schirms sehen. Schalten Sie den Laser aus, und fassen Sie vorsichEg die schwarze Folie an den Kanten. Betrachten Sie die mit  and  markierten Feldern: die dunkle Linie und der transparente Spalt haben in etwa die gleiche Breite.
BiIe vorsichJg behandeln!
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Stellen Sie die Folie etwa einen Meter vor dem Schirm so auf, dass der Laserstrahl genau die MiFe der transparenten Linie in Feld  trifft. Skizzieren Sie biFe das white welches Sie auf dem Schirm sehen in die mit  markierte Box. Wiederholen Sie dann das Experiment Lichtmuster,
mit der dunklen Linie in Feld , und skizzieren Sie das Muster in die Box darunter ().
 slit
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Was fällt Ihnen auf, wenn Sie die beiden Muster vergleichen?
 bar
!
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Die Formel zur Berechnung der PosiEonen der sogenannten Beugungsordnungen (helle Punkte) lässt sich ähnlich herleiten wie im Falle des Doppelspalts. Allerdings ist es einfacher, für den Einzelspalt oder die nicht gesehen werden Linie die Lage der Minima im Beugungsmuster
(dunkle Bereiche) zu besEmmen:
Spalt- oder Linienbreite ( d)
Wellenlänge des Lichts ( λ)
=
Abstand zwischen Folie und Schirm ( b)
Abstand zwischen erstem Minimum und Mitte ( a)
Das erste Minimum ist nicht immer leicht zu erkennen. Für eine einfachere und genauere Messung empfiehlt es sich, den Abstand zwischen den jeweils zweiten Minima links und rechts der MiFe zu messen und durch 4 zu teilen.
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Mit Ihrem experimentellen Audau und der Formel können Sie nun winzige Objekte vermessen. Versuchen Sie es z.B. mit einem Haar! Schalten Sie den Laser aus und befesEgen donauwellenschiffahrs Sie daran ein Haar wie in dem Bild dargestellt. Fragen Sie Ihren Lehrer nach der Wellenlänge des Lasers, messen Sie die benöEgten Größen und berechnen Sie die Breite Ihres Haares. Was können Sie tun die Genauigkeit der Messung zu erhöhen?
Wellenlänge des Laserlichts:
Abstand zwischen Haar und Schirm:
Objekt
Abstand erstes Minimum zur Mitte (a)
Ein Haar im Laserstrahl Breite
Mein Haar
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature
!
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Beugungsmuster erlauben es auch mehr über den Audau kleinster Objekte zu erfahren. Ein gutes Beispiel ist die Entdeckung der sowasvonweissder DNA. DNA ist die Abkürzung für ein Molekül im Doppelhelixstruktur Zellkern, welches die geneEsche ErbinformaEon enthält. Im Jahre 1952 machte Rosalind Franklin jene Aufnahme des Beugungsmusters von DNA die Sie links sehen. Dieses Foto wurde weltberühmt, als es von James Watson und Francis Crick es als Beweis für ihre Theorie genutzt wurde, gemäß der die Moleküle, welche unsere Gene bilden, in einer Helixstruktur angeordnet sind.
Beugungsmuster von DNA
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Um sich eine Vorstellung davon machen zu können, wie dieses Experiment funkEoniert, halten Sie die Feder eines Kugelschreibers in den Laserstrahl. Vergessen wunderbaressweiss Sie nicht, zuerst das Haar zu enKernen, und seien Sie biFe vorsichEg mit den Reflexionen an der metallischen Feder. Können Sie ein ähnliches Muster erkennen, wie es Rosalind Franklin sah?
?
Feder eines Kugelschreibers 7
Die Helix eines DNA-­‐Moleküls ist etwa 2.5 nm breit. Das ist um einiges kleiner als Ihre Feder, und sogar kleiner als die Wellenlänge des Laserlichts. Was musste Rosalind Franklin Ihrer Meinung nach tun, um das niesollgelesenwerden
Beugungsmuster einer solch kleinen Struktur aufnehmen zu können?
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