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Seminarvortrag 20.03.2007 Eibl Manfred
Was ist Licht? Seminarvortrag Eibl Manfred
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Welle-Teilchen Dualität
Licht als Welle: Licht als Teilchen: Beugung Interferenzerscheinungen Doppelspaltversuch Photoeffekt Comptomstreuung
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Licht als elektromagnetische Welle
Maxwellsche Gln. ( ): Wellengleichung aus Maxwellgleichungen: Hertz (1886): Nachweis elektromagnetischer Wellen mit Hertzschem Dipol
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Licht als elektromagnetische Welle
Transversale Schwingung von elektrischen und magnetischen Feldern: Frequenz: n Wellenlänge: l Lichtgeschwindigkeit: c n = c / l Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichts ist für seine Farbe verantwortlich.
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Festlegung der Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante (1986):
c= m/s Definition des Meters über die Lichtgeschwindigkeit: 1 Meter ist die Länge, die das Licht in 1/ Sekunden zurücklegt. Vorteil: Die Lichtgeschwindigkeit ist in jedem inertialen Bezugssystem dieselbe (SRT). Folgerung für elektromagnetische Wellen: Licht muss eine transversale Welle sein.
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Elektromagnetisches Spektrum
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Huygens-Fresnel-Prinzip
Prinzip von Huygens(1678): Von jedem Punkt einer Wellenfront breiten sich "Elementarwellen" kugelförmig aus. Die resultierende Wellenfront ist die Einhüllende der Elementarwellen. Zusatz von Fresnel(1818): Die Amplitude der Lichtschwingung an einem Punkt ist die Summe der Amplituden, die durch die Elementarwellen erzeugt werden „Superpositionsprinzip“
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Interferenz von Wellen
Konstruktive Interferenz: Voraussetzung: konstante Phasenbeziehungen (Kohärenz) Destruktive Interferenz:
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Kohärenz von Licht tc~1/Df lc = ctc Kohärenzzeit bzw. Kohärenzlänge:
Während der Kohärenzzeit sind die Phasender überlagerten Wellen stabil → Interferenz. tc~1/Df Df… Spektrum der Lichtquelle Räumliche Kohärenz:
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Kohärenz von Lichtquellen
Thermische Lichtquelle (weißes Licht): Laser: Typische Kohärenzzeiten: Glühlampe < 3fs bzw. < 10-6m Natriumdampf < 3ns bzw. < 1m Laser < 3ms bzw < 106m
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Youngscher-Doppelspaltversuch
I~|E|2
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Youngscher-Doppelspaltversuch
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Interferenzerscheinungen
Licht als Welle Interferenzerscheinungen Interferenz an dünnen Schichten: Laser-Speckle: Anwendungen: Oberflächenanalyse, Längenmessungen
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Licht als Teilchen E=hn Energie: Impuls: p=h/l
Einstein (1905): Annalen der Physik, S , 1905 E=hn Energie: Impuls: p=h/l Drehimpuls (Spin): Polarisation
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Licht als Teilchen Photoeffekt
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Licht als Teilchen Photoeffekt Ekin= hn - P
P… Austrittsarbeit für Elektronen Plancksche Konstante: h = Js Bestimmung aus dem Anstieg der Geraden
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Licht als Teilchen Compton-Streuung
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Licht als Teilchen Compton-Streuung Experiment:
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Licht als Teilchen Compton-Streuung Compton: Nobelpreis 1927
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nur 1 Photon befindet sich im Versuchsaufbau
Doppelspaltversuch von Taylor Versuchsbedingung: Starke Abschwächung des Lichts nur 1 Photon befindet sich im Versuchsaufbau ?
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Nachweis einzelner Photonen
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Doppelspaltversuch von Taylor
P.M. Dirac: “Each photon then interferes only with itself. Interference between two different photons never occurs.“ The Principles of Quantum Mechanics Fourth Edition, Chapter 1
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Licht als Teilchen Menschliches Sehen
Das Auge ist so empfindlich, dass es ca. 5-6 Photonen detektieren kann. Die Funktionsweise ist ähnlich ein dem Photoelektrischen Effekt. Sehen in der Dunkelheit: Die Umgebung wird sofort wahrgenommen. Es gibt kein Aufhellen der Umgebung im Laufe der Zeit. (nach der Gewöhnung des Auges an die Dunkelheit)
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