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Elektromagnetische Wellen und Optik

Vorlesung: Mo 8:15-9:45 und Do 12:15-13:45

Joachim RädlerBert NickelChristian Hundschell

E3/E3p

www.physik.uni-muenchen.de/lehre/vorlesungen/wise_18_19/E3-Optik

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Webseite

Übungen

- Anmeldung zur Übungsgruppe über LSF diese Woche Mo bis Do(Modus auf Homepage erklärt)

- Aufgabenblätter jeden Montag auf der Homepage (erstes Blatt heute).

- Klausuraufgaben orientieren sich an den Übungsaufgaben.- Es wird keine ausführliche Musterlösungen geben, ggf. Kurzfassung zur Ergebniskontrolle.- Bonussystem fürs Lösen und Abgabe der Aufgaben: ca. eine Teilnote in der Klausur

- Übungsbetrieb ab dem 22.10.;

Übungsleitung:Privatdozent Dr. Bert NickelLMU Lehrstuhl Rädler089-2180-1460 oder nickel@lmu.de

- Abgabe der Blätter jeweils Montag eine Woche später.

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Übungsgruppen E3/E3p

4Bis Donnerstag über LSF anmelden – Infos auf der Homepage

Gruppe 01: Mo 12-14 Uhr c.t., Schellingstr. 4, H 537,Gruppe 02: Mo 12-14 Uhr c.t., Theresienstr. 37, A 248,Gruppe 03: Mo 16-18 Uhr c.t., Schellingstr. 4, H 537,Gruppe 04: Mo 16-18 Uhr c.t., H 206,Gruppe 05: Di 12-14 Uhr c.t., H U123,Gruppe 06: Di 14-16 Uhr c.t., H U123,Gruppe 07: Mi 12-14 Uhr c.t., H 537, (am 14.11.2018 in Raum R 209, Schellingstr. 3)Gruppe 08: Do 8-10 Uhr c.t., Geschw.-Scholl-Pl. 1 (N), N 110,Gruppe 09: Mi 16-18 Uhr c.t., Schellingstr. 4, H U123,Gruppe 10: Do 8-10 Uhr c.t., Theresienstr. 37, A 249,Gruppe 11: Do 8-10 Uhr c.t., Schellingstr. 4, H 030 Physik,Gruppe 12: Do 10-12 Uhr c.t., H U123,Gruppe 13: Do 16-18 Uhr c.t., H 537,Gruppe 14: Fr 12-14 Uhr c.t., Theresienstr. 41, C 111,Gruppe 15: Fr 12-14 Uhr c.t., Geschw.-Scholl-Pl. 1 (N), Kleiner Physiksaal (N 020),Gruppe 16: Fr 14-16 Uhr c.t., Theresienstr. 37, A 449,

E-Learning mit Moodle

o Diskussionsforum zu den Übungeno "virtuelle" Tutoren :

Sami Wirtenson sami.wirtensohn@physik.uni-muenchen.deBenjamin Tilmann B.Tilmann@physik.uni-muenchen.de

Ein Pilotprojekt auf Anregung der Fachschaft Physik

Numerische Übungen mit Python/Anaconda

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Literatur

Weiterführende Literatur

Viele andere Lehrbücher: Ein Besuch der Bibliothek lohnt sich!

Vorlesungsthemen (siehe Lehrbuch Zinth)Einführung und historischer Überblick: Was ist Licht?Licht als elektromagnetische WelleWellengleichung, Energie und Impuls, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, Dispersion,Absorption, Grenzflächen, Reflexions- und Brechungsgesetz, Reflexionsgrad,evaneszente Wellen, Lichtwellenleiter, Farbe von Gegenständen, StreuungGeometrische OptikFermatsches Prinzip, Prisma, Regenbogen, Abbildung, Kugelspiegel, Linsen, Matrizen,Instrumente der geometrischen Optik, AugeWelleneigenschaften von LichtHuygenssches Prinzip, Fresnelsche Beugung, Fresnel- Kirchhoffsche Beugungstheorie,Fraunhofersche Beugung, spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung, Gitterspektrometer,Interferenz, Auflösungsvermögen optischer Geräte, Fourieroptik, Gaußsche Bündel, Polarisation von Licht, Doppelbrechung, Optische Aktivität, Nichtlineare OptikQuantenphänomene: Licht als Welle und TeilchenPhotoeffekt, Eigenschaften von Photonen, Licht ist Welle und Teilchen, Photoeffekt,Strahlungsgesetze und Lichtquellen, Lichttechnische Größen, schwarzer Strahler,Plancksche StrahlungsformelLaserLichtverstärkung, Niveauschema, Laserschwelle, Lasertypen

Literaturwts§ENHV(,rI]FA

Flrü Thomas'S7alther

Herbert '§TaltherT'I7AS I§T HCHT?

ffiVon der klassischen

Optik zurQuantenoptik

Geschichte der Optik - geometrische Optik• Naturphilosophen im alten Griechenland

Hypothesen über das Wesen des Lichts, Platon „Sehstrahlen“; Grundlagen der geometrischen Optik, geradlinige Ausbreitung, Reflexionsgesetz, Brechung in Wasser

• Heron von Alexandria (ca. - 100)Prinzip des kürzesten Weges

• Ibn Al Haitham Alhazen (965 - 1040)Linsen, sphärische Aberration, parabolische Spiegel Abbildung im Auge

• H. Lippershey (1587 - 1619)Fernrohr

• Johannes Kepler (1571 - 1630)Brechung (kleine Winkel), Fernrohr

• Galileo Galilei (1564 - 1642)Erste Anwendung der geom. Optik durch Konstruktion des Fernrohrs(Prioritätsstreit mit Scheiner über Entdeckung der Sonnenflecken)

• Willebrord Snellius (1591 - 1626)1621 Brechungsgesetz (Descartes etwas später)

Optische Instrumente - Brille

Marktszene im Mittelalter. Der Mann links verkauft eine Brille.

1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte

rgswinkel in verschiedenen Medien überliefert. Aus den Aufzeichnungen deslrtsschreibers Plinius (23 bis 79 n. Chr.) weiß man, dass auch die Römer dasas kannten. In römischen Ruinen fand man Glas- und Kristallkugeln, in Pom-.' plankonvexe Linse. Der römische Philosoph Seneca (3 v. Chr. bis 65 n. Chr.)tr., dass man eile wassergefüllte Glaskugel zur Vergrößerung benutzen kann.rc:inlich haben römische Künstler solche Vergrößerungsgläser verwendet, umA us liihrung fi ligraner Arbeiten zu erleichtern.

.'rrr Niedergang des Weströmischen Reiches (475 n.Chr.), der ungefähr demtlcs flrühen Mittelalters entspricht, waren in Europa für längere Zeit kaumclrirltliche Erfolge ztr verzeichnen. Die von griechisch-römisch-christlichertlorninierten Mittelmeerländer fielen rasch unter die Herrschaft Allahs. Soh sich das Zentrum der Gelehrsamkeit in die arabische Welt.

clrrrng wurde von Abu Sad al-Ala Ibn Sahl (940-1000) untersucht, der ntrZeitrirsidcnkalifats in Bagdad wirkte und 984 die Schrift Über Brennspiegel undvcrlhsste. Diese Schrift enthält eine akkurate Darstellung der Brechung - dierrltaupt. Ibn Sahl beschrieb sowohl parabolische als auch elliptische Brenn-rrrxl lrralysierte hyperbolische plankonvexe sowie hyperbolische bikonvexel)er (iclchrte Abu Ali al Hasan ibn Haytham (965-1039), in der westlichen

t.lr rrrrtcr rlcm Namen Alhazen bekannt, war ein äußerst produktiver Autor, derIrr cirrcl Vie:lzahl von Themen verfasste, darunter l4 Bücher allein zur Optik.ilclc lurr llcllexionsgesetz, indem er den Einfalls- und den Reflexionswinkelgcrrrcinslrrrc I:hcnc senkrecht zur Grenzfläche legte; er beschäftigte sich mitrrrrtl llrntlxrlspiegeln und beschrieb das menschliche Auge sehr ausführlich.v()rwcgnchntcnd schlug Alhazen vor, dass sich Licht in einem Medium entlangr(.1lslcn Wcgcs ausbreitet.

irrtlc rlcs clrcizchnten Jahrhunderts begann Europa langsam, aus seiner intellek-l,)rsttrrung z.u crwachen. Alhazens Werk wurde ins Lateinische übersetzt undrcrr bctlcutcndcn Einfluss auf die Schriften von Robert Grosseteste, Bischof von( I 175 1253), sowie auf die Arbeiten des polnischen Mathematikers Vitello

). l)icsc hcidcn Gclehrten erweckten die Optik als Wissenschaft wieder zumllrrc Arhcitcn waren auch dem Franziskaner Roger Bacon (1215-1294) be-Itr vicll'aclr als dcr erste Wissenschaftler nach heutigem Verstündrris hctrachtetrucrln kant wahrschcinlich als Erstcr auf die ldee, Linsctt z.ttl' Korrcktur desrr(lg,clrs zu vcrwenden, und dcutete sogar die M(iglichkcit lttt. tttcltrctc [-in-t irrr..rl) ltlcskop zu korHbinicrcn. Iil hattc auclt citrc Vtt'slcllttttg, tlitvtltt, wicnlrlcn r.inc [-insc durchquLrt'Lrll, Nach Btcons 'lixl sclrlicl'tlic Optik wictlcr cin.int vi(.1'zcllntc.rr .lthrhrrnrlcrl lindcrl nuur ltrl'Ccrrrllltlcrr cttro;rllist'ltcl Kllrtstlcr

lrrrtt,rrr Ä l,,lrirrrlrl,.rr rrrrr,lr r.irr l'lllc-

1.2 Die Ursprünge

Frühe Darstellung einer Marktszene in Europa. Der Mann links verkauft Brillen. (INTERFOTO/AIamy)

Leonardo da Vinci (1452-1519) beschrieb die ,,Camera obscura", die durch die Arbei-ten von Giovanni Battista Della Porta ( 1535-1615) auch der Allgemeinheit zugänglichgemacht wurde. Della Porta erläuterte 1589 in seiner Schrift Magia naturalis Mehr-fachspiegel und Kombinationen von Sammel- und Zerstreuungslinsen. In diese erstePeriode der Optik fallen, wie man sieht, nur relativ wenige wichtige Ereignisse. DerAnfang war gemacht - der Fortschritt allerdings ließ auf sich warten. Erst später, imsiebzehnten Jahrhundert, sollte ein Sturm von technischen Umsetzungen und neuenaufregenden Entdeckungen über die Optik hereinbrechen.

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Quelle: Hecht

Optische Instrumente

1.6 Instruments

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luantum theory.o packets (quanta)nc1': the lower fre-:e easily producedut gradually scep-rtal evidence in itsr- accepted, largelyrhotoelectric effecting of energy and; ( 1923).

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d in 1924 a newn the principle of;covery of electro-.agnetism producees. are corpusclesptical, and withinsson (1881-1958)d G. P. Thomsonthst-moving elec--rays. Since thenrs have also been:r (1887-1961) inich appears to be

Figurc 1.4 Newton'sreflecting telescope.

1.6 lnstrumentsI .6. I The telescope

Although single lenses had been known from time immemorial, itwas not until the beginning of the seventeenth century that opticalinstruments as we know them came into being. Lippershey (d. 1619)discovered in 1608, probably accidentally, that two separated lenses

could produce a clear enlarged image of a distant object. Galileoseized upon the discovery, made his own telesope, and began to makea series of discoveries - such as Jupiter's moons and Saturn's rings -that completely altered the subject of astronomy. Newton, dissatisfiedwith the colour defects in the image, invented the reflecting telescope(Fig. 1.a). Since then the telescope has not changed in essence, but ithas changed in size and cost.

1.6.2 The microscope

The story of the microscope is quite different. lts origin is uncertain;many people contributed to its early development. New ways of usingit are still being found and further fundamental developments are stillbeing made (§12.5).

The microscope originated from the magnifying glass. In the six-teenth and seventeenth centuries considerable ingenuity was exercisedin making high-powered lenses; a drop of water or honey could pro-duce wonderful results in the hands of an enthusiast. Hooke (1635-1703) played perhaps the greatest part in developing the compound

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Reflexions Teleskop

Robert Hooke1635-1703

Mikroskop aus Objektiv-und Okularlinse.

Isaac Newton1642 - 1727

Geschichte 1.3 Yom siebzehnten Jahrhundert an

[iglich, dassktober 1608Haager Ar-r Erfindungnen Linsen:rweise von-1656) ause Linse. In161 1 veröf-kt und kamr: In diesementwickelter in seinemnellinse alsr Fernrohrs.r das langeOptik. Mit

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Ren6 Descartes (159G1650); Gemälde von Frans Hals. (Ce-orgios Kollidas/Shutterstock)

Descartes betrachtete das Universum demnach als gefüllten Raum. Pierre de Fermat(1601-1665) bezweifelte dies und leitete, ausgehend von seinem eigenen Prinzip derkürzesten Zeit (1657), das Brechungsgesetz neu her.

Das Phtinomen der Beugung, also der Ablenkung des Lichts von der geradlinigen Aus-breitung beim Passieren eines Hindernisses, wurde erstmals von Professor FrancescoMaria Grimaldi (1618-1663) am Jesuitenkolleg in Bologna beschrieben. Grimaldi be-obachtete Lichtstreifen innerhalb des Schattens eines Stabes, welcher von einer kleinenLichtquelle angestrahlt wurde. Robert Hooke (1635-1703), Verwalter der Experimentebei der Royal Society, bemerkte später ebenfalls Beugungseffekte. Hooke untersuchteals Erster die farbigen Interferenzmuster, die durch dünne Schichten erzeugt werden(Micrographia, 1665). Er schlug vor, Licht als schnelle, sich mit großer Geschwindig-keit fortbewegende Schwingung des Mediums aufzufassen. Seine These, dass ,jederStoß oder jede Schwingung des Leuchtkörpers eine Sphäre" erzeuge, bildet den Be-ginn der Wellentheorie des Lichts. Im Todesjahr von Galilei wurde Isaac Newtongeboren. Newtons Credo war, sich stets auf direkte Beobachtungen zu stützen und

Sir I saac Newton (1 642-17 27 ). (Ceorgios Kolli das/Fotolia)

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Das Spektrum einer weißen Lichtquelle

Geschichte der Optik - Wellenlehre• Francesco Grimaldi (1618-1663)

Beobachtung von Beugung• Robert Hooke (1635 - 1703)

Beugung, InterferenzerscheinungenFarberscheinungen von dünnen Blättchen

• Isaac Newton (1642 - 1727)1666: Farbzerlegung von weißem Licht Korpuskulartheorie des Lichtes (bereits von Descartes diskutiert)Erklärung für die „Zweiseitigkeit“ von Licht 1717

• Christian Huygens (1629 - 1695)Wellen im Lichtäther, der alle Körper durchdringtErklärung der Brechung durch ElementarwellenWellen waren damals grundsätzlich longitudinale Wellen !

• Pierre de Fermat (1601 - 1665)Lichtausbreitung, Brechung (Licht im Medium langsamer)

1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte 1.3 lbm siebzek

spekulative Hypothesen zu vermeiden. Den unterschiedlichen Auffassungen von derNatur des Lichts stand er daher lange Zeit unentschieden gegenüber: War Licht, wiemanche behaupteten, korpuskular - also ein Strom von Teilchen? Oder war es eineWelle in einem alles durchdringenden Medium, dem Ather? Im Alter von 23 Jahrenbegann Newton mit seinen heute berühmten Dispersionsversuchen.

Ich besorgte mir ein dreieckiges Glasprisma, um damit die berühmten Farb-phänomene zu untersuchen.

Newton schloss, dass weißes Licht als Mischung einer ganzen Reihe voneinanderunabhängiger Farben zu betrachten sei. Er behauptete, die verschieden gefürbtenLichtpartikel regten den Ather zu charakteristischen Schwingungen an. Seine Theoriebediente demnach sowohl die Wellen- als auch die Teilchenhypothese, allerdingsneigte er mit zunehmendem Alter der Letzteren mehr zu. Die Wellentheorie in ihrerdamaligen Form lehnte er im Wesentlichen deshalb ab, weil sich die geradlinigeFortpflanzung des Lichts in seinen Augen nicht mithilfe von Wellen erklären ließ, diesich in alle Richtungen ausbreiten.

Nach mehreren unzulänglichen Experimenten gab Newton den Versuch auf, Farbfehlervon Linsenfernrohren zu beseitigen. Seine falsche Schlussfolgerung, dass diesesProblem generell nicht zu lösen sei, führte ihn zur Konstruktion von Spiegelfemrohren.Das erste derartige Instrument stellte er 1668 fertig. Es war nur rund 15 Zentimeterlang, und sein Durchmesser betrug nur rund vier Zentimeter, aber es lieferte bereitseine mehr als dreißigfache Vergrößerung.

Zur selben Zeit, als Newton in England die Teilchenhypothese vertrat, erweiterteChristiaan Huygens (1629-1695) auf dem Kontinent die Wellentheorie in beträchtli-chem Maße. Im Gegensatz zu Descartes, Hooke und Newton folgerte Huygens richtig,dass sich das Licht beim Eintritt in dichtere Medien verlangsamt. Mithilfe seiner Wel-lentheorie konnte er das Reflexions- und das Brechungsgesetz herleiten und sogar die

Christiaan Huygens (1629-1695). (Porträt von ChristiaanHuygens (ca. 1680), Abraham Bloteling. Stich. Rijksmuseum[Objektnummer RP-P- 1 896-A- I 9320])

Doppelbrechunggen am Kalkspat r

Da es zwei vrzwei verschiq

Licht war also enscher Materie zu rgeschwindigkeit. .

- eine Vorstellungschwindigkeit endDie Umlaufbahn,der Umlaufbahn dFinsternisse von IJupiter. 1676 sagtraus dem Schattentelten Bewegung ePhänomen, das deerkläirte. Römer kum die SonnenumlDie Arbeiten über:einander den DurcLichtgeschwindigkDas Gewicht Newrhundert fast zu erLeonhard Euler (lmeinte, die von Lilnicht auf, weil dirdrücken (was eineachromatischer Lirin Uppsala, vollzogdass sie fehlerhaft'lond (1706-1761) I1758 schließlich eiachromatischen LirAmateurforscher Clworden war.

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Newtonsche Korpuskulartheorie

- 11 - W. Zinth PhysikLMU

Lichtgeschwindigkeit und Brechungsgesetz: Descartes/Newton: Vergleich der Brechung mit Wurf eines Balles an Grenzschicht:

Annahme 1: Geschwindigkeit || zur Oberfläche v|| bleibt erhalten da keine ||-Komponente der Kraft, Annahme 2: Geschwindigkeitskomponente ⊥ zur Oberfläche erhöht, da Medium Teilchen anzieht 1 und 2 ergeben: Brechung zum Lot hin! (Übergang zum dichteren Medium) Geschwindigkeit im (optisch) dichteren Medium größer

Spätere Messung ergibt: v1 > v2 d.h. Erklärung ist falsch!!

Teilchenbild

- 12 - W. Zinth PhysikLMU

Huygens: Ableitung des Brechungsgesetzes über Elementarwellen Im optisch dünneren Medium laufen Wellenfronten schneller im optisch dichteren langsamer: Brechung zum Lot n1 sinθ1 = n2 sinθ2 und v2 / v1= n1 / n2

sinθ1sinθ2

= Δt ⋅ v1Δt ⋅ v2

= n2n1

n2 > n1 = 1 gibt: v2 < v1

Fermat erhält gleiches Ergebnis durch Extremalprinzip (kürzeste Laufzeit) Welche Interpretation ist korrekt?? Dazu: Messung der Lichtgeschwindigkeit nötig!

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Wellenbild

Huygen‘sches Wellenbild

- 11 - W. Zinth PhysikLMU

Lichtgeschwindigkeit und Brechungsgesetz: Descartes/Newton: Vergleich der Brechung mit Wurf eines Balles an Grenzschicht:

Annahme 1: Geschwindigkeit || zur Oberfläche v|| bleibt erhalten da keine ||-Komponente der Kraft, Annahme 2: Geschwindigkeitskomponente ⊥ zur Oberfläche erhöht, da Medium Teilchen anzieht 1 und 2 ergeben: Brechung zum Lot hin! (Übergang zum dichteren Medium) Geschwindigkeit im (optisch) dichteren Medium größer

Spätere Messung ergibt: v1 > v2 d.h. Erklärung ist falsch!!

Teilchenbild

- 12 - W. Zinth PhysikLMU

Huygens: Ableitung des Brechungsgesetzes über Elementarwellen Im optisch dünneren Medium laufen Wellenfronten schneller im optisch dichteren langsamer: Brechung zum Lot n1 sinθ1 = n2 sinθ2 und v2 / v1= n1 / n2

sinθ1sinθ2

= Δt ⋅ v1Δt ⋅ v2

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n2 > n1 = 1 gibt: v2 < v1

Fermat erhält gleiches Ergebnis durch Extremalprinzip (kürzeste Laufzeit) Welche Interpretation ist korrekt?? Dazu: Messung der Lichtgeschwindigkeit nötig!

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Wellenbild

Geschichte der Optik - Wellenlehre• Ole Christensen Rømer (1644 - 1710)

Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit aus Verfinsterung der Jupitermonde• Etienne Malus (1775-1812)

1808 Polarisation von reflektiertem Licht• Thomas Young (1773 - 1829)

Interferenzprinzip, 1801 Erweiterung der Wellentheorie

• Jean Fresnel (1788 - 1827)Anhänger der Wellentheorie, Preisschrift 1819, stark mathematischElementarwellen und Interferenz (Young) vereinigtTheorie der Transversalwellen

• Josef Fraunhofer (1787 - 1826)Optisches Glas, quantitative Experimente zur Beugung, Beugungsgitter (1821), Wellenoptik wird praktikabel

1.4 Das neunzehnte JahrhundertDr. Thomas Young (1773-1829), einer der wahrhaft großen Geister seiner Zeit,erweckte die Wellentheorie des Lichts zu neuem Leben. 1801, 1802 und 1803 vertrat erdiese Hypothese vor der Royal Society und erweiterte sie um ein neues grundlegendesKonzept, das so genannte Interferenzprinzip:

Wenn zwei Wellenbewegungen verschiedenen Ursprungs dieselbe oder fastdieselbe Richtung aufweisen, so ergibt sich die gemeinsame Wirkung alsSumme der Bewegungen jeder einzelnen Welle.

Young konnte die Farbstreifen dünner Schichten erklären und die Wellenlängen ver-schiedener Farben aus Newtons Messwerten berechnen. Obwohl er mehrfach daraufhinwies, dass Newtons Erkenntnisse die eigentliche Grundlage seiner Arbeit bildeten,wurde Young heftig angegriffen. Eine wahrscheinlich von Lord Brougham verfassteArtikelreihe im Edinburgh Review sprach Youngs Schriften jeglichen Wert ab.

Thomas Young ( 1 773-1 829). (Smithsonian Institution)

Eine überzeugende Wiederbelebung der Wellentheorie verdanken wir Augustin JeanFresnel (1788-1827) aus Broglie in der Normandie, der von den rund 13 Jahrezurückliegenden Bemühungen Youngs keine Kenntnis hatte. Fresnel vereinigte dieIdeen von Huygens mit dem Interferenzprinzip. Er beschrieb die Fortpflanzung einerPrim2irwelle als Folge der Überlagerung und Interferenz sekundärer Kugelwellen,wodurch sich die Primärwelle jeden Augenblick neu bildet. In Fresnels Worten:

Die Schwingungen einer Lichtwelle in allen ihren Punkten sind als Summeder Elementarbewegungen aufzufassen, die in demselben Moment durch dieWirkung aller einzelnen Teile der ungehinderten Welle in den jeweils vorher-gehenden Positionen zu ihr übertragen werden

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Augustin Jean Fresnel (1788-1827). (US National Library ofMedicine)

Man stellte sich die Lichtwellen, analog zu den Schallwellen in der Luft, longitu-dinal vor. Fresnel konnte die Beugungsmuster an verschiedenen Hindernissen undÖffnungen berechnen und die geradlinige Ausbreitung des Lichts in homogenen, iso-tropen Medien zufrieden stellend erklären. Damit entkräftete er Newtons wichtigstenEinwand gegen die Wellentheorie. Als Fresnel schließlich erfuhr, dass Young das In-terferenzprinzip vor ihm gefunden hatte, war er zwar etwas enttäuscht, schrieb demKollegen aber trotzdem, dass ihn dessen gute Gesellschaft tröste. Die beiden großenMänner wurden zu Verbündeten.

Huygens kannte, wie auch Newton, das Phänomen der Polarisation in Kalkspat-Kristallen. Letzterer schrieb in seinem Werk Opticks:

Jeder Lichtstrahl hat daher zwei entgegengesetzte Seiten...

Erst 1808 entdeckte litienne Louis Malus (1775-1812), dass diese ,,Zweiseitigkeit"des Lichts nicht durch eine besondere Eigenschaft kristalliner Medien hervorgerufenwird, sondern auch bei der Reflexion in Erscheinung tritt. Fresnel und Domini-que Frangois Arago (1786-1853) wollten mit einer Versuchsreihe den Einfluss derPolarisation auf die Interferenz aufkläiren, scheiterten aber an ihrem longitudinalenWellenbild - ein herber Rückschlag ftir die Wellentheorie. Über etliche Jahre hinwegkämpften Young, Arago und Fresnel mit diesem Problem, bis Young schließlich aufdie Idee kam, die Schwingungen des Athers als transversal, wie die Welle auf einerSaite, anzusehen. Die Zweiseitigkeit des Lichts ließ sich dann einfach als Ausdruckzweier zueinander orthogonaler, zur Ausbreitungsrichtung des Strahls transversalerSchwingungen des Athers erkläiren. Fresnel entwickelte diesen Ansatz zu einer me-chanistischen Beschreibung der Atherschwingungen weiter, die ihn zu den heutebekannten Formeln für die Amplituden des reflektierten und des transmittierten Licht-

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Geschichte der elektromagnetischen Wellen

• Michael Faraday (1791 - 1867)Experimente zur magnetischen Induktion1845 Drehung der Polarisation (Verbindung von Licht und el.-magn Feldern)

• Hippolyte Fizeau (1819-1896)1849: erste erdgebundene Messung der Lichtgeschwindigkeit (im Medium)

• James Clark Maxwell (1831 - 1879)ca. 1873 Maxwell Gleichungen; Elektromagnetische Wellen - Licht

• Heinrich Hertz (1857 - 1894)1888: Erzeugung und Nachweis einer elektromagnetischen Welle

• Michelson (1852-1931) and Morley (1838-1923)1887: Keine Relativbewegung Äther-Erde

• Albert Einstein (1879-1955)Spezielle Relativitätstheorie vereinigt Elektromagnetismus und Mechanik

Wie misst man Lichtgeschwindigkeit ?

- 13 - W. Zinth PhysikLMU

Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit?

(Galilei)

- 14 - W. Zinth PhysikLMU

1. Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Astronomische Bestimmung durch O. Römer(1644 - 1710) Verzögerung des "gesehenen" Jupiterdurchgangs um Δt≈ 22 Minuten, bei bekanntem Radius der Erdbahn (AE) ergibt für die Lichtgeschwindigkeit c bei dem damals bekannten Wert der astronomischen Größe AE: c = 2 AE / Δt ≈ 2,3 108m/s

Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit (Römer)

- 13 - W. Zinth PhysikLMU

Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit?

(Galilei)

- 14 - W. Zinth PhysikLMU

1. Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Astronomische Bestimmung durch O. Römer(1644 - 1710) Verzögerung des "gesehenen" Jupiterdurchgangs um Δt≈ 22 Minuten, bei bekanntem Radius der Erdbahn (AE) ergibt für die Lichtgeschwindigkeit c bei dem damals bekannten Wert der astronomischen Größe AE: c = 2 AE / Δt ≈ 2,3 108m/s

Erste terrestrische Messung der Lichtgeschw.

- 15 - W. Zinth PhysikLMU

- 16 - W. Zinth PhysikLMU

Messung der Lichtgeschwindigkeit im Hörsaal Messung der Laufzeit von Lichtimpulsen mit elektronischen Mitteln:

Heute: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als Naturkonstante definiert: 299 792,458 m/s

- 15 - W. Zinth PhysikLMU

- 16 - W. Zinth PhysikLMU

Messung der Lichtgeschwindigkeit im Hörsaal Messung der Laufzeit von Lichtimpulsen mit elektronischen Mitteln:

Heute: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als Naturkonstante definiert: 299 792,458 m/s

Messung der Lichtgeschwindigkeit im Hörsaal

Elektromagnetische Wellen

© Thomas Udem

Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen

Wellenlänge (sichtbares Licht 400 nm – 700 nm)

Frequenz (sichtbares Licht 430 THz – 750 THz)

Geschwindigkeit: 299.792,458 km/s

Intensität bzw. spektrale Intensität

Polarisation

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

© Thomas Udem

Polarisation

© Thomas Udem

Wellen überlagern sich durch Interferenz

© Thomas Udem

Interferenz

© Thomas Udem

Elektromagnetische Wellen

29© Thomas Udem

Erzeugung optischer Frequenzen

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

Farblehre nach Newton

Anordnung der spektralen Farben auf einem Kreis

Farbkreis der additiven (rgb) und der subtraktiven (cmy) Farbmischung

600 l./nm

(a) Spektren einiger Elemente: Fe mit seinen vielen 3d-Elektronenhat sehr viele Linien, Na mit seinem einen Valenzelektron im Sicht-baren nur die enge Doppellinie bei 589 nm, die auf dem Übergang3p-3s beruht und auch im Sonnenspektrum als D-Absorptionsliniesehr stark hervortritt

k(d) Viel besser sind visueller Wirkungsgrad und .{np,r.iSpektrum des Tageslichts bei der Leuchtstoffröhre. Dur,tinuierliche Lumineszenzspektrum des Leuchtstoftts aufnenwand schimmem die diskreten Linien der He-Füllun:

(e) Durch additive Mischung kann man aus den drei GrundfarberFarbtöne herstellen (mit verschiedenen Anteilen der Grundfarnicht nur mit gleichen wie hier dargestellt). Mischfarben sehierbei immer heller als ihre Komponenten, bis hin zum reinen \

I700500400

I

-

IEIIIIII

bI

Mg

(b) Sonnenspektrum: Aus dem Kontinuum der heißen dichten Photo-sphärengase absorbieren die kühleren sehr verdünnten Schichten da-rüber selektiv die Fraunhofer-Linien, die unten als Emissionsliniendargestellt und den erzeugenden Elementen zugeordnet sind. DieB-Linie stammt allerdings vom atomaren O in der irdischen Hochatmosphiüe und verschwindet daher bei Messungen vom Satelliten aus

EDCBllttCaNaHoO

GFllHY Hs

-J(c) Das Licht der Glühlampe bildetPlanck-Spektrums des Glühdrahtesvon dessen Emissionsleistung

nur einen schmalen Ausläufer desund enthält leider nur kllapp 5 Vo

(f1 Subtraktive Mischung der drei Grundfarben (hier mittels durcscheinender Farbschichten) erzeugt auch aile Mischfarben, aber diewerden immer dunkler, bis zum fast reinen Schwarz

Fe

Na

He ill

:E

7

600 l./nm

(a) Spektren einiger Elemente: Fe mit seinen vielen 3d-Elektronenhat sehr viele Linien, Na mit seinem einen Valenzelektron im Sicht-baren nur die enge Doppellinie bei 589 nm, die auf dem Übergang3p-3s beruht und auch im Sonnenspektrum als D-Absorptionsliniesehr stark hervortritt

k(d) Viel besser sind visueller Wirkungsgrad und .{np,r.iSpektrum des Tageslichts bei der Leuchtstoffröhre. Dur,tinuierliche Lumineszenzspektrum des Leuchtstoftts aufnenwand schimmem die diskreten Linien der He-Füllun:

(e) Durch additive Mischung kann man aus den drei GrundfarberFarbtöne herstellen (mit verschiedenen Anteilen der Grundfarnicht nur mit gleichen wie hier dargestellt). Mischfarben sehierbei immer heller als ihre Komponenten, bis hin zum reinen \

I700500400

I

-

IEIIIIII

bI

Mg

(b) Sonnenspektrum: Aus dem Kontinuum der heißen dichten Photo-sphärengase absorbieren die kühleren sehr verdünnten Schichten da-rüber selektiv die Fraunhofer-Linien, die unten als Emissionsliniendargestellt und den erzeugenden Elementen zugeordnet sind. DieB-Linie stammt allerdings vom atomaren O in der irdischen Hochatmosphiüe und verschwindet daher bei Messungen vom Satelliten aus

EDCBllttCaNaHoO

GFllHY Hs

-J(c) Das Licht der Glühlampe bildetPlanck-Spektrums des Glühdrahtesvon dessen Emissionsleistung

nur einen schmalen Ausläufer desund enthält leider nur kllapp 5 Vo

(f1 Subtraktive Mischung der drei Grundfarben (hier mittels durcscheinender Farbschichten) erzeugt auch aile Mischfarben, aber diewerden immer dunkler, bis zum fast reinen Schwarz

Fe

Na

He ill

:E

7

Additive MischungSubtraktive Mischung

Farbe KomplementärfarbeRot Cyan (Türkis)Grün Magenta (Purpur)Blau Yellow (Gelb)

Physiologie des Farbsehens

mediengestalterprint.de/farbensehen/

CMYK-FarbmodellDie zusätzliche Druckfarbe Schwarz (Key), für die das CMYK-Farbmodell ermöglicht im subtraktiven Farbmodell ein ausreichend tiefes Schwarz

Geschichte der Optik - Quantenmechanik• Hallwachs

1888 Entdeckung des Photoeffekts• Max Planck (1858 - 1947)

1900 Quantenhypothese• Albert Einstein (1879 - 1955)

Photoeffekt (1905), Quantennatur, stimulierte Emission(1916/1917)• 1960 erster Laser• Modernes Bild: Welle-Teilchen Dualismus (nicht nur für Licht)

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

Entsteht mit fast allen Wellenlängen

Wärmestrahlung geht in alle Richtungen

Sie ist unpolarisiert

Wärmestrahlung

38

Photonen

39

Lichtquanten (Max Planck 1900)

Wärmestrahlung aus dem All

40

Planckscher Strahler - Photoeffekt

- 19 - W. Zinth PhysikLMU

Planckscher Strahler/Photoeffekt: Teilchenbild des Lichtes in der modernen Physik Beispiel: Lichtnachweis mit Photomultiplier

-U

Licht

Signale

-U+∆U -U+3∆U -U+5∆U

-U+2∆U -U+4∆U -U+6∆U

Photokathode

Anode

Dynoden(-1000 V)

Funktionsweise:Erzeugung und von Photoelektronenund Elektronenvervielfachung

U(t)

Bei gleichmäßiger Beleuchtung

t-U

Man beobachtet Energiepakete: Photonen

- 20 - W. Zinth PhysikLMU

Licht ist ein Strom von Teilchen

Moderne Version des Teilchenbildes: Energie eines Photons:

Energiepakete hν h ist das Plancksche Wirkungsquantum: h = 6,626 10-34 Js

Beispiel:

Ein Helium-Neon Laser (λ = 632,8 nm) mit Leistung W = 1mW emittiert pro Sekunde n Photonen: W = n hν

n = W

hν= W λ

hc= 10−3J/ s ⋅632,8 ⋅10−9m

6,6 ⋅10−34Js ⋅ 3 ⋅108m/s= 3,2 ⋅1015 / s

Ist Newton’s Hypothese doch korrekt???

Licht ist ein Strom von Teilchen

- 19 - W. Zinth PhysikLMU

Planckscher Strahler/Photoeffekt: Teilchenbild des Lichtes in der modernen Physik Beispiel: Lichtnachweis mit Photomultiplier

-U

Licht

Signale

-U+∆U -U+3∆U -U+5∆U

-U+2∆U -U+4∆U -U+6∆U

Photokathode

Anode

Dynoden(-1000 V)

Funktionsweise:Erzeugung und von Photoelektronenund Elektronenvervielfachung

U(t)

Bei gleichmäßiger Beleuchtung

t-U

Man beobachtet Energiepakete: Photonen

- 20 - W. Zinth PhysikLMU

Licht ist ein Strom von Teilchen

Moderne Version des Teilchenbildes: Energie eines Photons:

Energiepakete hν h ist das Plancksche Wirkungsquantum: h = 6,626 10-34 Js

Beispiel:

Ein Helium-Neon Laser (λ = 632,8 nm) mit Leistung W = 1mW emittiert pro Sekunde n Photonen: W = n hν

n = W

hν= W λ

hc= 10−3J/ s ⋅632,8 ⋅10−9m

6,6 ⋅10−34Js ⋅ 3 ⋅108m/s= 3,2 ⋅1015 / s

Ist Newton’s Hypothese doch korrekt???

Laserstrahlung

Lichtverstärker

Absorption Emission Stimulierte Emission

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Können einzelne Photonen interferieren ?

Einzelne Photonen interferieren !

http://www.sps.ch/fileadmin/pictures/Experimente/FromPhotonsToWaves.avi

Einzelne Elektronen auch !

46http://www.hitachi.com/rd/portal/research/em/doubleslit.html