Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Der Quantenradierer Licht als elektromagnetische Welle die QR Versuche Präsentation und Analyse.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Der Quantenradierer Licht als elektromagnetische Welle die QR Versuche Präsentation und Analyse."—  Präsentation transkript:

1 Der Quantenradierer Licht als elektromagnetische Welle die QR Versuche Präsentation und Analyse

2 Licht als elektromagnetische Welle Optik ist eine uralte Wissenschaft grundlegende Fortschritte im 17.Jhd. durch Huygens:  Wellennatur Vollendung der Theorie im 19.Jht. durch Maxwell:  elektromagnetische Welle: Fortpflanzung elm. Energie in Form gekoppelter elektrischer und magnetischer Felder -allgemeine Beschreibung -Polarisation -Beugung

3 1.1 Allgemeine Beschreibung Maxwell Theorie: elektrische und magnetische Felder sind Vektorfelder E(x), H(x), I = |E| 2 + |H| 2 E und H sind aber bei zeitlichen Änderungen nicht unabhängig; die elm. Energie breitet sich wellenförmig aus, wobei E und H immer normal auf die Ausbreitungsrichtung S stehen und zusätzlich E und H aufeinander normal stehen: also: E. S = 0; H. S = 0; E. H = 0

4 wichtiger zusätzlichen Parameter der Wellenlösungen : Wellenlänge oder Frequenz mit  = c in voller Allgemeinheit hängt die Ausbreitung des Lichtes von der Quelle und der materiellen Umgebung ab; im Folgenden werden aber (fast ausschließlich) nur ebene Wellen betrachtet

5 Ebene elektromagnetische Wellen Ausbreitungsrichtung S wird konstant in Richtung e z angenommen  E und H liegen dann in der x-y Ebene Konvention: e x vertikal nach oben e y horizontal nach rechts ezez exex eyey

6 ExEx EyEy E = HxHx HyHy H = E. H = 0 E und H sind aber nicht nur normal aufeinander, sondern sind auch streng “in Phase”; wegen dieser Bedingung genügt es bei ebenen Wellen, nur ein einziges Feld F zu betrachten: FxFx FyFy F = = A V (x,y) sin ( k z -  t ) A H (x,y) cos ( k z -  t +  ) k = 2  = 2 

7 die Feldstärken oszillieren also in Raum und Zeit: -an einem fixen Ort z ergibt sich eine zeitliche Veränderung : F = A sin (  t +  ) - zu einer fixen Zeit t ergibt sich eine Welle entlang der Fortpflanzungsrichtung : F = A sin ( kz +  ) vereinfachende Annahme: A V (x,y) und A H (x,y) im betrachteten Gebiet (x,y) konstant  kohärente Welle konstanter Intensität

8 1.2 Polarisation Eigenschaft “Polarisation” folgt aus Parameter   !   = 0“lineare” Polarisation   =  /2, A V = A H “zirkulare” Polarisation   A V  A H  beliebig“elliptische” Polarisation FxFx FyFy F = = A V sin ( k z -   t ) A H cos ( k z -  t +  

9 Vergleich der verschiedenen Polarisationen

10  = 0 :  F x und F y sind "in Phase"; F zeigt immer in eine bestimmte Richtung; wir erhalten eine "lineare Polarisation", bei der der Feldstärkenvektor in einer Ebene oszilliert. ist A H ≠ 0, A V = 0 so erhält man H - Polarisation ( “horizontal“ ) A H = 0, A V ≠ 0 V - Polarisation ( “vertikal“ ) A H = A V D - Polarisation ( “diagonal“ ) A H = - A V A - Polarisation ( “anti-diagonal“)

11  = π / 2  F x und F y sind “phasenverschoben" erreicht eine der Komponenten ihr Maximum, so ist die andere Komponente 0 und umgekehrt; wir erhalten eine "elliptische Polarisation“ wenn A V = A H, so bleibt die gesamte Feldstärke konstant, der Feldstärkenvektor rotiert aber um die z-Achse; die Polarisation ist "zirkulär"  ≠ 0 und A H ≠ A V, allgemeiner Fall:  “elliptische Polarisation“ mit Hauptachsen in beliebiger Richtung.

12 1.3 Beugung Klassisches Experiment zum Nachweis der Wellennatur des Lichtes geometrische Wellenoptik Optik Lichtquelle Hindernis Schirm S

13 geometrische Optik: Schirmbild = “Negativbild” des Hindernisses Wellenoptik:wenige exakte Lösungen der Maxwell Gleichungen aber ausgezeichnete Näherung: Huygensches Prinzip : Beugungsbilder berechnet aus Überlagerung von Licht(kugel-)wellen ausgehend von jedem nicht blockierten Punkt der Hindernisebene physikalisches Grundprinzip: (Vektor-) Interferenz der Strahlbeiträge von den verschiedenen Punkten der Lichtquelle in der Hindernisebene; diese Beiträge haben Weglängendifferenzen  L zum Schirmpunkt

14 maximale positive Interferenz: zwei Beiträge sind “in Phase”  L = n. maximale negative Interferenz: zwei Beiträge sind “in Gegenphase” (Auslöschung)  L = (n+1/2). klassische Beugungsversuche an: kreisrunder Öffnung (Loch)Kreisscheibe Spalt, Doppelspalt, GitterStreifen, Dopelstreifen Halbebene komplementäre Objekte  ähnliche Streubilder (Babinetsches Prinzip)

15

16 Präsentation und Analyse der Versuche Beugung von kohärentem, parallelem Laserlicht, konstante Intensität, gleichmässig linear polarisiert, kreisförmiger Strahlquerschnitt d < 1 mm, an einem Draht b ≈ 0.4 mm   ≈ 600  LaserDraht Schirm schematisch !

17 3 Versuche zunehmender Komplexität: 1.Beugung am “nackten” Draht LaserDraht Schirm

18 3 Versuche zunehmender Komplexität: 1.Beugung am “nackten” Draht 2.Beugung mit Polarisationsfiltern in der “Hindernisebene” LaserDraht Schirm H

19 3 Versuche zunehmender Komplexität: 1.Beugung am “nackten” Draht 2.Beugung mit Polarisationsfiltern in der “Hindernisebene” 3.Beugung mit zusätzlichen Polarisationsfiltern in einer zweiten Ebene (E 2 ) zwischen Draht und Schirm LaserDraht Schirm H E 2

20 1. Beugung am Draht Beugungsbild: Erklärung im Wellenbild : analog Doppelspalt-Streuung ( Huygensches Prinzip ) b d

21 Konventionen: H - Polarisation ( “horizontal“ ) V - Polarisation ( “vertikal“ ) D - Polarisation ( “diagonal“ ) A - Polarisation ( “anti-diagonal“ )

22 Polarisation: Beugung ist unabhängig von der Polarisation der einfallenden Welle, die Polarisation bleibt erhalten x y D vor dem Draht hinter dem Draht Polarisation

23 Erklärung im Teilchenbild: Photonen verhalten sich nicht wie klassische Teilchen sie werden am Draht “gestreut” statistische Auftreffwahrscheinlichkeit am Schirm = von der Beugung einer Welle vorausgesagte Intensitätsverteilung in dieser einfachen Versuchsanordnung keine weiteren Unterschiede zwischen Wellen- und Teilchenbild

24 2. Beugung mit Polarisationsfiltern in der “Hindernisebene” x y VH Diskussion der Versuchsanordnung: Lichtstrahl mit Polarisation H oder V wird in einer der beiden Halbebenen vollständig absorbiert in der anderen Halbebene geht das Licht ohne Abschwächung durch, Beugung am (Einzel-)Spalt, Polarisation bleibt erhalten Anordnung der Pol.Filter

25 Einfallendes Licht mit D - Polarisation: x y vor dem Draht hinter dem Draht VH Polarisation Beugungsbild

26 Erklärung im Wellenbild: Feldstärkenvektor des einfallenden D-polarisierten Lichtes kann in zwei gleich grosse Komponenten in der x- (V-) und y- (H-) Richtung zerlegt werden durch die Pol. Filter wird in den jeweiligen Hälften - die entsprechene Komponente durchgelassen und gebeugt, - die andere Komponente absorbiert bei der Absorption am Schirm stehen die Feldstärkenvektoren der Teilstrahlen von rechts und links für alle y aufeinander senkrecht  Intensitäten addieren sich ohne Möglichkeit von positiver oder negativer Interferenz  keine Interferenzstreifen ! Gesamtintensitäten = Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen

27 Erklärung im Teilchenbild: durch (nachprüfbare) H- oder V- Polarisation der Photonen hinter den Filtern kann bestimmt werden, ob ein Photon rechts oder links vom Draht vorbei ging; nach den Regeln der Quantenmechanik folgt aus diesem Wissen, dass die beiden verschieden polarisierten Teilstrahlen nicht interferieren können; dies entspricht genau dem Versuchsergebnis.

28 3. Beugung mit zusätzlichen Polarisationsfiltern in einer zweiten Ebene einfallendes Licht D- polarisiert; Pol. Filter in der “Hindernisebene” H- und V- Filter, wie in 2; zusätzliches D- Filter in Ebene E 2 ( zwischen Hindernisebene und Schirm ) LaserDraht Schirm H E 2

29 zusätzliches D- Filter zwischen Hindernisebene und Schirm: vor dem E 2 Filter hinter dem Filter x y D Polarisation Beugungsbild

30 zusätzliches A- Filter zwischen Hindernisebene und Schirm: x y A Polarisation hinter dem Filter vor dem E 2 Filter Beugungsbild

31 Erklärung im Teilchenbild: Abwesenheit von Beugungsstreifen in Versuch 2 wegen Information über Weg rechts oder links vom Draht mit zusätzlichen Filtern wird diese Information völlig zerstört und werden die d- bzw. a- Komponenten ausgesondert, die aus der Interferenz der h- und v- Komponenten entstehen; Die H - V Information (= rechts - links Information) wird “ausradiert” Die d- und a- Komponenten zeigen wieder die Beugungsmuster

32 zusätzliches Filter zur einen Hälfte ( x > 0 ) D- Filter, zur anderen Hälfte ( x < 0 ) A- Filter Vergleich der Beugungsbilder: mit D-Filter mit A- Filter

33 zusätzliches Filter zur einen Hälfte ( x > 0 ) D- Filter, zur anderen Hälfte ( x < 0 ) A- Filter Vergleich der Beugungsbilder: mit D-Filter mit A- Filter mit D- Filter (oben) und A- Filter (unten)  zueinander versetzte Maxima  das “Gebiss”

34

35 Zähne zusammenbeißen und an die ARBEIT !


Herunterladen ppt "Der Quantenradierer Licht als elektromagnetische Welle die QR Versuche Präsentation und Analyse."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen