Was ist denn nun Licht? Von Maxwells elektromagnetischen Wellen zu gequetschten Photonen

 34. Herleitungen der Formeln Ich habe mich bemüht möglichst einfache Herleitungen  zu notieren. Geringfügig andere Wege kann mein bei Leifi nachlesen: Herleitungen der Dopplerformeln leifi Da Schall ein Ausbreitungsmedium besitzt, müssen wir zwischen der Bewegung des Senders und der Bewegung des Empfängers unterscheiden. Das ist bei Licht nicht der Fall. Da gibt es nur eine Dopplerformel für die Wellenlänge (kein Mensch misst Lichtfrequenzen...). Bei Schall misst man oft Frequenzen, deshalb gibt man die Dopplerformeln dort für Frequenzen an:  34.1 Bewegung des Senders S 34.1.1 Herleitung der Wellenlängenformel Alle ungestrichenen Größen, wie T, beziehen sich auf den Sender, d.h. auf die ausgesandte Welle. Alle gestrichenen Größen wie T` beziehen sich auf den Empfänger, also auf die registrierte Welle. Während einer Schwingungsperiode T des Senders soll er sich mit v auf den Empfänger zu bewegen. Er wird dann in dieser Zeit T die Strecke v*T zurücklegen. Hat er vorher einen Wellenberg

  33. Was kann bei Schall alles passieren? Mit einer Simulation (Schallgeschwindigkeit c = 300 m/sec) wollen wir systematisch die folgenden Fälle untersuchen: Geschwindigkeit des Senders unter der Schallgeschwindigkeit: vs < c:   Variiert die Bewegung des Senders, vom Empänger weg, auf den Empfänger zu. Dann variiert zusätzlich die Bewegung des Empfängers, ebenfalls auf den Sender  zu, von ihm weg, mit beliebigen Geschwindigkeiten. Schreibt euch auf, was ihr seht und dann was der Empfänger hören würde.   Geschwindigkeit des Senders gleich  der Schallgeschwindigkeit: vs = c:   Variiert die Bewegung des Senders, vom Empänger weg, auf den Empfänger zu. Dann variiert zusätzlich die Bewegung des Empfängers, ebenfalls auf den Sender zu, von ihm weg, mit beliebigen Geschwindigkeiten.   Schreibt euch auf, was ihr seht und dann was der Empfänger hören würde.  Was ist der Unterschied? Der Sender haut mit Schallgeschwindigkeit ab, der Empfänger haut mit Schallgeschwindigkeit ab?   Geschwindigk

  Teil 9: Der Dopplereffekt: Im Abitur, der Medizin und der Astronomie  31. Dopplereffekt: Etwas nur für hochbegabte Nerds? Im Anschlussvideo wird der Dopplereffekt erklärt, aber nur für einen bewegten Sender:   Nachtrag: Der letzte Teil des Filmes ist falsch. Sterne bewegen sich nicht von uns fort...die Autoren des Films haben das mit der sog. "Fluchtbewegung " der Galaxien verwechselt. Das ist aber auch keine Bewegung, sondern die Folge der Raumausdehnung zwischen den Galaxien. Dadurch werden auch die Wellen verlängert. Also kein Doppler-Effekt, sondern eine kosmische Rotverschiebung durch die Expansion.   Welche anderen Möglichkeiten gibt es noch einen Dopplereffekt nachzuweisen? Wann bemerkt man ihn nicht?  Ein einführendes Video: Das Himmelskarussell 32.  Ein historisches Transportphänomen Christian Doppler (1803-1853) wollte eigentlich die Farben von Sternen in Doppelsternsystemen erklären...("Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne d

 30. Leuchtende Chemie Hier möchte ich kurz auf ein Paar Begriffe, Aufgaben hinweisen, die im Abitur von Bedeutung sein könnten, sich aber nicht so gut in den Lehrgang einordnen lassen. (Fast alle Abbildungen in diesem Post sind aus Impulse Physik, Klett) 30.1 Fluoreszenz Wenn die Anregung in einem Atom mehrere freie Niveaus überspringt, dann ist beim Rücksprung  ein Zwischenstopp möglich, d.h. das absorbierte kurzwellige (UV-) Licht wird in mehreren langwelligeren Farben reemittiert.   Ihr kennt fluoreszierende Flüssigkeiten: Das nennt man Fluoreszenz. 2018 kam eine LK-Aufgabe zur Fluoreszenzmikroskopie vor. Das Wort tauchte nur in der Übershcrift auf, ansonsten ging es nur um Laser und Photoeffekt...Das kann aber sehr verwirrend sein... 30.2 Phosphoreszenz Erreicht das Elektron beim Rücksprung als Zwischenstop ein metastabiles Niveau, dann wird das Licht verzögert abgestrahlt. Es kommt zum Nachleuchten. Das nennt man Phosphoreszenz.   Waschmittel bringen fluoreszierende und phosphori

  29. Atomlaser werden nicht gepumpt Inzwischen sind Atomlaser erfunden, aber so richtig weiß man noch nicht wofür man die braucht...aber wie war das 1962?? 29.1 Bose-Einstein-Kondensat BEC Zuerst einmal braucht man Atome, die alle im gleichen Quantenzustand auf engstem Raum sind. Das geht nur, wenn jedes Atom den Gesamtspin 0 oder 1 hat, dann ist es nämlich ein Boson. Und Bosonen klumpen! Dies geht z.B. mit Rb 85. In einer Magnetfalle werden Milliarden von Rb 85 Atomen festgehalten und mit einem Laser abgebremst. Dadurch sinkt die Temperatur auf etwa 100 μK. Nun nutzt man die Verdampfungskühlung. Ihr kennt das: Unter nasser Badekleidung wird es kälter, weil das Wasser in der Kleidung verdampft. Die schnellsten Atome verdampfen aus der Ansammlung. Dadurch kühlt sich die Ansammlung auf 10 nK ab (das war 2004 der kühlste Ort im Universum). Jetzt stört die Wärmebewegung so wenig, dass sich ein gemeinsamer Quantenzustand dieser Bosonen-Atome ausbilden kann, ein Bose-Einstein-Kondensat. Ein

  28. Die Laserdiode Wir haben schon den Rubinlaser und den He-Ne-Gaslaser kennengelernt. Es gibt noch: Golddampflaser Argonionenlaser Excimerlaser Stickstofflaser Kohlendioxid-Laser Kohlenmonoxid-Laser Farbstofflaser Neodymlaser abstimmbare Festkörperlaser Frabzentrenlaser chemische Laser Freie-Elektronen-Laser usw...usw... Aber einen Typ wollen wir noch kurz kennenlernen: die Laserdiode   28.1. Geschichte und Vorteil Schon 1962 entdeckte man, dass auch Halbleiter (HL) Lasereffekte erzeugen können, d.h. ankommende Strahlung verstärken können. 1970 wurde erstmal ein kontinuierlicher Betrieb eines Halbleiterlasers bei Zimmertemperatur erreicht.  In einem HL-Laser wird elektrischer Strom direkt in halbwegs kohärentes Licht umgewandelt. Die Laserdioden haben Ausdehnungen von 0,3 mm und setzen über 50% der Pumpleistung in Laserlicht um. Hinzu kommt eine sehr lange Lebensadaer von über 30 000 Betriebsstunden, das sind etwa 3,5 Jahre Non-Stop-Betrieb.   Wir nutzen sie in allen CD- und DVD-Ge

  27. He-Ne-Gaslaser ...den gibt es in allen Schulen und oft auch in Abituraufgaben... 27.1 Gasentladung In Q1 haben wir Gasentladungen kennengelernt. Gase leiten auch elektrischen Strom. Dazu muss man den Druck reduzieren und eine, möglichst höhere, Spannung anlegen. Durch kosmische Strahlen oder natürliche Radioaktivität entstehen immer Ionen und Elektronen in der Luft. Im Gegenteil: Werden die Ionen, wie bei manchen Klimaanlagen üblich, neutralisiert, fühlen wir uns nicht wohl. Die Virenkiller im SFN sprühen auch Ionen in die Luft..mögen die Viren weniger, aber wir um so mehr... Bei normalem Luftdruck ist die mittlere freie Weglänge auch bei angelegter Spannung sehr klein, die Ladungen, insbesondere die Elektronen, können kaum beschleunigt werden bevor wieder ein neuer Zusammenstoß stattfidnet.. Wiederholung:  F = m*a = q*E = q * U/d gestattet die Berechnung der Beschleunigung einer Ladung q im Feld der Stärke E bzw. längs einer Strecke d durhchdie Spannung U. Ist die Luft aber verd

 26. Das Besondere am Laser-Licht 26.1. Laserlicht ist monochromatisch Ein ganz wichtiger Aspekt: Laserlicht ist monochromatisch, d.h. besitzt eine ganz bestimmte Frequenz. Bei normalem thermischen Licht kommen in der Regel alle möglichen Farben vor. Der Grund ist klar: Im Laser ist es ein einziger Laserübergang, auf den der Resonator abgestimmt ist. Nur diese Frequenz schauckelt sich auf. In einem Glühfaden strhahen alle Atome mit irgendwelchen Quantensprüngen Licht ab. Da kommen halt alle Wellenlängen vor. Durch den Bau des Lasers kommt natürlich noch eine Abgabe nur in einer Richtung vor ("Laserpointer", geht mit einer Glühlampe oder Kerze nicht..) Trotec 26.2 Laserlicht ist kohärent    Das normnale thermische Licht besitzt ja eine unregelmäßige Folge von Photonen, die Photonen "bunchen", kleben also irgendwie immer in kleinen Gruppen zusammen. Das hängt daran, dass klassische Strahler immer nur für sehr kurze Zeit eine Reihe von Photonen abgeben und dann pausier

  25. Grundprinzip am Beispiel des Rubinlasers Der erste 1960 von Maiman gebaute Laser funktioniert nach diesem Verfahren. Der Rubinlaser besteht aus einem wenige Zentimeter langen Rubinstab. Das ist ein Kristall aus Al2O3, ähnlich wie Saphir (daraus bestehen die Abtastnadeln von Plattenspielern). Für den Lasereffekt wichtig ist im Kristall bei der Herstellung eingelassenes Chrom: Etwa zu 0,05% müssen dreifach geladene Chromionen Cr+++ beigemischt sein.   Das ist vergleichbar mit der Dotierung bei Halbleitern zu p- und n-Halbleitern (Q1). Diese Ionen haben die richtigen Niveaus mit den richtigen Eigenschaften. 25.1. Niveaus und Übergänge Ein Laser benötigt: Pumpniveaus: Das sind Energieniveaus, möglichst viele, dicht beieinander liegende, die man vom Grundzustand des Material aus leicht durch Stöße oder optische Prozesse anregen kann. Metastabiles Niveau: Das ist möglichst ein einziges Niveau, aus dem heraus ein Übergang in den Grundzustand sehr unwahrscheinlichn ist (verbotener Überga