Welle-Teilchen Dualität von Licht
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Welle-Teilchen Dualität von Licht Licht verhält sich mal wie eine Welle mal wie ein Teilchen Teilchen werden als Photonen (oder allgemeiner als Quanten) bezeichnet: - Beschreibung von Absorption und Emission von Licht. W=h•f W = Energie h = Planksches Wirkungsquantum h = 6,625 • 10-34 J•s Welle: Licht hat die Eigenschaften einer elektromagnetische Welle: - Ausbreitung von Licht in Medien c=λ•f λ = Wellenlänge f = Frequenz im Vakuum: c0 = 2,998 ⋅ 108 m/s Licht als Welle gekoppelte elektrische und magnetische Felder, die in den Raum abgestrahlt werden Licht als elektromagnetische Welle: elektrischer (grau) bzw. magnetischer (weiß) Feldvektor λ Wellenlänge - benötigt / hat kein Transportmedium - Das elektrische Feld und das magnetische Feld ändern sich in schnellem Wechsel - sind transversale Wellen: Ausbreitung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung - elektrisches und magnetische Feld ebenfalls senkrecht und in Phase Nachweis von Licht der Photoeffekt dient dem Nachweis von Licht äußere photoelektrische Effekt Freisetzen von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch Licht Photokathode Anwendung in Photozelle, Sekundärelektronenvervielfacher innere photoelektrische Effekt Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien durch Licht Photodioden u. a. Anwendung in CCD- und CMOS-Sensoren CCD: charge-coupled device CMOS: complementary metal oxide semiconductor Aufbau eines Photometers bzw. Spektrometers solche Geräte gehören zur Grundausstattung eines biologischen/biochemischen Labors λ Lichtquelle Monochromator Küvette mit Probe Monochromator spektrale Zerlegung des Lichtes Photozelle - Interferenzfilter erzeugt Licht einer Wellenlänge - Beugungsgitter - Prismen monochromatisches Licht Absorptionsspektrum E Wellenlänge wird variiert E = f (λ) UV-VIS-Spektrometer λ Schwächung von Licht die Intensität von Licht kann bei Querung eines Mediums abgeschwächt werden I0 Lichtintensität kann geschwächt werden durch I0 - Absorption - Streuung - Reflexion Photozelle nur Lösungsmittel I I0 I I0 I = I 0• e - kx Photozelle Lösung I ≤ I0 x Maße für die Lichtschwächung die Extinktion ist eine wichtige Kenngröße in der quantitativen Analytik Transmission T= I I0 100% Extinktion I T E I0 100% 0 1 I0 10 10% 1 I0 1% 2 I0 0,1% 3 0% ∞ 1 E = lg I0 100 I 1 1000 ! Wenn E > 1,5 Verdünnen der Proben 0 Lambert-Beer‘sche-Gesetz in verdünnten Lösungen sind Extinktion und Konzentration proportional zueinander 1) Eichkurve E = ελ c d x E x c - Konzentration der Lösung d - Länge des optischen Weges, Schichtdicke der Küvette ελ - Extinktionskoeffizient x x x x Regressionsgerade x c [d] = cm [c] = mol/l = M [ελ] = M-1 cm-1 2) Extinktionskoeffizient [c] = g / cm3 für viele Substanzen bekannt [ελ] = cm2 / g hängt von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts ab Bestimmung der Konzentration verdünnter Lösungen Absorption Moleküle absorbieren (bzw. emittieren) bei bestimmten Wellenlängen λ Moleküle liefern Bandenspektren Rotation des Moleküls um eine Achse fernes IR, Mikrowellen 50 µm … 1 mm Schwingungen von Atomen um eine Gleichgewichtslage nahes und mittleres IR 0,8 µm … 50 µm Elektronenübergänge UV, sichtbares Licht, nahes IR 0,2 µm … 1 µm Feinstruktur der Schwingungszustände (Rotationszustände) W Schwingungszustände während optischer Übergänge (Absorption, Emission) ändern sich nicht die Koordinaten der einzelnen Atome des Moleküls W2 Absorption W1 Franck-Condon-Prinzip Elektronenzustände Moleküle in Lösung liefern kontinuierliche Spektren Lumineszenz / Fluoreszenz die Emission von Licht nach vorangegangener Absorption heißt Fluoreszenz Angeregte Molekülzustände Energieabgabe Lebensdauer meist sehr kurz < 10-12 s strahlungsfreie Übergänge Energieübertragung durch Stoßprozesse in bestimmten Fällen bis zu 10-8 s Photolumineszenz (Fluoreszenz) Übergange mit Strahlenemission W strahlungsfreier Übergang Fluoreszenz - emittiertes Licht ist energetisch schwächer als absorbiertes Licht und hat eine höhere Wellenlänge λem > λexc Fluoreszenz: Anwendungsbeispiele es gibt zahlreiche Anwendungen für Fluoreszenz in den Biowissenschaften Markierung von !- Antikörpern !! Lichtquelle - biologischen Makromolekülen Monochromator Anregung Spezielle Techniken: λexc - Durchflusszytometrie λem - Fluoreszenzmikroskopie - Fluoreszenzspektroskopie Bsp.: Fluoreszeinisothiocyanat (FITC) Untersuchungsobjekt Monochromator Emission Detektor Anregung: 488 nm Emission: 520 nm Polarisiertes Licht das menschliche Auge kann polarisiertes Licht nicht von normalem Licht unterscheiden normales Licht z y x z y Elektrischer bzw. magnetischer Vektor nehmen viele Schwingungsrichtungen ein Polarisiertes Licht x nur eine bevorzugte Schwingungsrichtung Polarisiertes Licht das menschliche Auge kann polarisiertes Licht nicht von normalem Licht unterscheiden Erzeugung von polarisiertem Licht - Licht mit ausgewählten Schwingungsebenen kann Kristall passieren - Polarisator Bildschirm Analysator Auslöschung Polarisator Lichtquelle ‚parallel‘ ‚vertikal‘ Optische Aktivität Substanzen mit vier unterschiedlichen Resten an einem C-Atom können optisch aktiv sein optische aktive Substanzen - drehen die Schwingungsebene von polarisiertem Licht Beispiel: Alanin H ! COOH COOH C C CH3 D-Ala NH2 NH2 CH 3 H L-Ala - enthalten 4 verschiedene Reste an C-Atom: ‚Chiralität‘ - D- und L Isomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild: ‚Enantiomere‘ - Racemat: 1:1 Mischung D- und L-Isomer Optische Aktivität Substanzen mit vier unterschiedlichen Resten an einem C-Atom können optisch aktiv sein optische aktive Substanzen α = αs c d α αs Drehwinkel spezifisches Drehvermögen c Konzentration [αs] = º cm2 g-1 wenn [c] = g/cm3 [αs] = º M-1cm-1 wenn [c] = mol/l = M d Länge Lichtweges Ausbreitung von Licht in Medien die Brechzahl ist ein Maß für die Geschwindigkeit von Licht in einem Medium n = im Vakuum: c0 = 3•108 m/s c0 in anderen Medien: c c Brechzahl n = Brechungsindex eines Mediums es gilt n ≥ 1 n = 1 Luft n = 1,33 Wasser n = 1,46 Quarzglas n = 1,5 ... 1,9 Optische Gläser ≺ 3•108 m/s Ausbreitung von Licht in Medien die Brechzahl ist ein Maß für die Geschwindigkeit von Licht in einem Medium Dispersion von Licht n = f (λ) n nimmt zu bei kleineren λ Anwendung: spektrale Zerlegung von weißem Licht λ n nm ( H2O, 20 ºC) 397 431 486 527 589 656 687 761 1,3435 1,3406 1,3371 1,3352 1,3330 1,3312 1,3304 1,3289 Brechung von Licht an der Grenze zweier Medien kann Licht gebrochen werden Brechung zum Lot hin Brechung vom Lot weg n1 optisch dicht, n2 optisch dünn n1 optisch dünn, n2 optisch dicht n1 < n2 α n1 > n2 α n1 n2 β β sinα sinβ = n2 Brechungswinkel n1 Brechungsgesetz es gilt: einfallender Strahl, gebrochener Strahl und Lot liegen in einer Ebene Totalreflexion an der Grenze zweier Medien kann Licht vollständig reflektiert werden n1 > n2 αg Anwendungen Leitung von Licht in Glasfasern n1 - Seitliche Totalreflexion ! n2 - Weiterleitung auch an Krümmungen Medizinische Endoskopie αg - Grenzwinkel für die Totalreflexion da β = 90º sinαg = Technische Endoskopie n2 n1 Optische Nachrichtenübertragung Totalreflexion an der Grenze zweier Medien kann Licht vollständig reflektiert werden α α‘ n1 n2 Reflexionsgesetz α = α‘ α = Einfallswinkel α’ = Ausfallswinkel
