Seminarvortrag 20.03.2007 Eibl Manfred Was ist Licht? Seminarvortrag 20.03.2007 Eibl Manfred

Welle-Teilchen Dualität Licht als Welle: Licht als Teilchen: Beugung Interferenzerscheinungen Doppelspaltversuch Photoeffekt Comptomstreuung

Licht als elektromagnetische Welle Maxwellsche Gln. (1861-1864): Wellengleichung aus Maxwellgleichungen: Hertz (1886): Nachweis elektromagnetischer Wellen mit Hertzschem Dipol

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.

Festlegung der Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante (1986): c=299 792 485 m/s Definition des Meters über die Lichtgeschwindigkeit: 1 Meter ist die Länge, die das Licht in 1/299793485 Sekunden zurücklegt. Vorteil: Die Lichtgeschwindigkeit ist in jedem inertialen Bezugssystem dieselbe (SRT). Folgerung für elektromagnetische Wellen: Licht muss eine transversale Welle sein.

Elektromagnetisches Spektrum

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“

Interferenz von Wellen Konstruktive Interferenz: Voraussetzung: konstante Phasenbeziehungen (Kohärenz) Destruktive Interferenz:

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:

Kohärenz von Lichtquellen Thermische Lichtquelle (weißes Licht): Laser: Typische Kohärenzzeiten: Glühlampe < 3fs bzw. < 10-6m Natriumdampf < 3ns bzw. < 1m Laser < 3ms bzw < 106m

Youngscher-Doppelspaltversuch I~|E|2

Youngscher-Doppelspaltversuch

Interferenzerscheinungen Licht als Welle Interferenzerscheinungen Interferenz an dünnen Schichten: Laser-Speckle: Anwendungen: Oberflächenanalyse, Längenmessungen

Licht als Teilchen E=hn Energie: Impuls: p=h/l Einstein (1905): Annalen der Physik, S. 132-148, 1905 E=hn Energie: Impuls: p=h/l Drehimpuls (Spin): Polarisation

Licht als Teilchen Photoeffekt

Licht als Teilchen Photoeffekt Ekin= hn - P P… Austrittsarbeit für Elektronen Plancksche Konstante: h = 6.626.10-34 Js Bestimmung aus dem Anstieg der Geraden

Licht als Teilchen Compton-Streuung

Licht als Teilchen Compton-Streuung Experiment:

Licht als Teilchen Compton-Streuung Compton: Nobelpreis 1927

nur 1 Photon befindet sich im Versuchsaufbau Doppelspaltversuch von Taylor Versuchsbedingung: Starke Abschwächung des Lichts nur 1 Photon befindet sich im Versuchsaufbau ?

Nachweis einzelner Photonen

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

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)