DeBeye Sears Effekt: Ein heißer Tipp fürs Abi

 Grundidee: 

Lichtwellen werden an Schallwellen gebeugt und interferieren  wie bei einem Gitter.

Das geht, da Schallwellen für Licht so langsam schwingen, dass die Photonen immer nur eine feststehende Struktur "erkennen".

Man vergleiche nur mal die Frequenzen von Schallwellen (kHz) mit Lichtwellen (600 Thz).

Wiederholung Schallwellen:

- Longitudinalwellen, d.h. die Oszillatoren schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung

- Es entstehen Dichteschwankungen der Luft.



 

- Schallgeschwindigkeit cs = 340 m/sedc (bei Zimmertemperatur)

- Lichtwellen sind dagegen transversale EMW mit der Geschwindigkeit cL = 300 000 km/sec (im Vakuum)

Versuchsaufbau zum Debye-Sears-Effekt (1932):


Ein Piezo erzeugt Ultraschall in Wasser. Es kann, muss sich aber keine stehende Welle ausbilden.

 

 



Das Interferenzmuster ist sehr klein. Man muss es durch ein Mikroskop betrachten oder auf einem 15m entfernten Schirm (Kellergang im "Neubau", Mittelstufenphysik)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Versuchserklärung

Der ankommende kohärente Laserstrahl sieht beim Vorbeiflug ein feststehendes Muster aus Verdichtungen und Verdünnungen. Die wirken wie ein Gitter, an dem das Licht gebeugt wird.

Zwei Verdichtungen sind Gebiete mit erhöhtem Brechungsindex. Sie bilden die Gitteröffnungen, d.h. die Gitterkonstante ist gleich der Wellenlänge des Ultraschalls.

Meistens wird das im Abitur vorgegeben bzw. durch Messwerte errechnet.

Eine Erklärung ist sehr schwierig. Man nennt ein solches Gitter aus den Bergen einer Schallwelle auch ein Phasengitter.

In manchen Schulbüchern wird der Effekt auch mit der Braggschen Formel an den Wellenbergen erklärt (sie werden als Netzebenen angesehen). Das ist falsch. 

Denn wenn man die Küvette kippt, bleibt das Interferenzbild erhalten, bei der Braggreflexion würde es mitkippen.

(Hab ich selbst im Rahmen der Betreuung einer Jugend forscht Arbeit 2007 ausprobiert...). Das zu erkennen, hat uns Monate gekostet...

Auch sieht man bei der Braggreflexion in der Regel nur das erste Maximum.

Im zweiten Bild des Versuchsdaufbaus wird monochromatisches Licht einer Spektrallampe genommen, da muss man über einen Spalt das Licht kohärent machen und parallel auf die Küvette laufen lassen.

Dass die Gitterkonstante die Wellenlänge des Ultraschalles ist, kann man sich auch so klar machen: Zwei benachbarte Wellenberge beugen  Lichtstrahlen jeweils in  gleiche Richtungen.

Formeln: 

Man kann die beiden Gitterformeln mit sin und tan nehmen und die Kleinwinkelnäherung anwenden. Als Wellenlänge muss man die Lichtwellenlänge einsetzen, als Gitterkonstante erhält man oder setzt man die Schallwellenlänge ein.

Wichtig:

In die folgende Fallgrube sollte man nicht hineinfallen...

Das Laserlicht geht durch dasbWasser durch. Auch dadurch gibt es Gangunterschiede, die heben sich aber beim Eintritt und beim Austritt aus der Küvette auf...müssen also nicht berücksichtigt werden. Nur die Gangunterschiede durch die Wasserdichte machen die Interferenz.

Nachtrag:

Alle Abbildungen stammen aus der Jugend forscht Arbeit von Ilian Eilmes, der damals in meinem LK war.. Damit ist sein Team bis zum Bundeswettbewerb gekommen (Sonderpreis der DPG). Das war 2007.

Das Team hat damals auch die Änderung  der Schallgeschwindigkeit in einem Aerogel während des Gelierens mit diesem Effekt gemessen.

In der LK-Aufgabe Hessen 2013 wurde nicht wie bei uns der Aerogel-Gehalt geändert sondern der Salzgehalt...und dort war der Piezo auch oben, wie bei uns (eher unüblich, bei uns notwendig, da das Aerogel von oben her geliert). Und es wurde nicht mit einem M;ikrometer gemessen, wie sont überall...sondern in einem großen Abstand...

Das hab ich so noch gar nicht gesehen...hm....






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