Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Das einzige Problem der Strahlung ist die Energieübertragung. Strahlung überträgt Energie. Das kann gut sein – eine Katze, die sich in die Sonne legt, wird warm – oder zu viel sein: wir bekommen Sonnenbrand. Es geht noch eine Problemstufe mehr: nicht nur Sonnenbrand durch Verbrennungen, es kann auch die DNA (Erbinformation) in organischen Zellen geschädigt werden. Krebs kann entstehen. Sichtbares Licht ist noch kein großes Problem, aber der UV-Anteil ist so energiereich, dass man durch Vermeidung oder Sonnencreme sich ihm nicht zu sehr aussetzen will. Radioaktive Strahlung (ionisierende Strahlung) kann Elektronen aus der Elektronenhülle “kicken” und auf diese Art Schaden anrichten. Es gibt Langzeitschäden durch Veränderungen am Erbgut, oder kurzzeitige Schäden bei hohen Dosen durch Hitze.
Wann immer Strahlung nun notwendig ist – beim Röntgen zum Beispiel – wird man sie trotzdem so weit wie möglich reduzieren oder vermeiden.
Link: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/wirkung/wirkung_node.html
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Elektromagnetische Strahlung |
(LED, LASER, RÖNTGENRÖHRE, MIKROWELLE, UV-LAMPEN, RADIOAKTIVITÄT)
Elektromagnetische Strahlung entsteht in Strahlungsquellen. Je nachdem, welche Frequenz die Strahlung hat, kommen dafür unterschiedliche Prozesse in Frage.
LED: Halbleiter mit bestimmten Atomarten ganz bestimmten (diskreten) Energiestufen der beteiligten Elektronen. Ebenso beim Laser, dort spricht man von der “induzierten Emission”. In der Röntgenröhre werden Elektronen beschleunigt und plötzlich wieder abgebremst. Mikrowellen kann man in einem Magnetron erzeugen. UV-Lampen: spezielle Glühlampen oder Quecksilberdampflampen. Herkömmliche Glühlampen erzeugen viele verschiedenen Frequenzen im sichtbaren Licht, die meisten Frequenzen aber im Infrarotbereich (Wärme) – ein kontinuierliches Spektrum. Bei “Energiesparlampen” werden meist nur wenige bestimmte Frequenzen (diskretes Spektrum) erzeugt. Eine Form von Radioaktivität sind Gammastrahlen. Die verschiedenen Strahlungen bzw. Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum werden auch im Weltraum erzeugt und erlauben Aufschluss über Prozesse, die in Sternen, Galaxien und Molekülwolken ablaufen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
(ABSORPTION, EMISSION, TRANSMISSION, PHOTOEFFEKT, IONISIERUNG, FLUORESZENZ)
Elektromagnetische Strahlung kann mit Materie in Wechselwirkung treten. Es wird dabei Energie übertragen. Einerseits kann Materie die Energie der Strahlung aufnehmen (Absorption), andererseits kann Materie Energie durch elektromagnetische Strahlung abgeben (Emission). Wenn sie durch Materie durchtritt kann ein Teil von ihr aufgenommen werden (Transmission) – wir sehen das etwa bei Fenstern, die nie vollständig durchlässig sind, sondern für jede Frequenz (Farbe) des Lichtes eine bestimmte Transmissionsrate haben. Das Flugzeug am Bild hat deswegen etwas eigenartige Farben, weil das Flughafenfenster nicht alle Farben gleichermaßen durchlässt. Elektromagnetische kann ab einer bestimmten Frequenz auch Atome ionisieren (ihre Elektronen aus der Hülle schleudern). Zu guter Letzt sprechen wir von Fluoreszenz, wenn Materie Strahlung spontan wieder abgibt, nachdem es sie zuvor aufgenommen hat.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Licht wird in der Hülle von Atomen erzeugt. Je nach dem, welche Energiestufen das Elektron überspringt, wird ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Frequenz (Farbe) ausgesendet (emittiert). Das kann man auch umgekehrt sehen: je nachdem welche Frequenz (Farbe) ein bestimmtes Atom in seiner Hülle aufnimmt (absorbiert), lässt Rückschlüsse auf die Energiestufe und damit auf die Atomart selbst zu.
Das hat zwei Konsequenzen: analysiert man die Zusammensetzung, das Lichtspektrum einer Energiequelle, kann man Rückschlüsse auf die Atomarten ziehen, die es hervorbringen. Und analysiert man von einem bekannten, vollständigen “Regenbogenspektrum”, was fehlt, wenn es durch Materie tritt, lässt das wiederum durch die Analyse von dem, was fehlt, auf die Atomart zu. Stichwort: “Die fehlenden Farben der Sonne” – Link: Fraunhofer-Linien.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Spektroskopie
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Basics, Elektromagnetische Strahlung |
Woher kommt das Licht? Es kommt aus Atomen. Wo genau – oder durch welchen Mechanismus? Entsteht es im Atomkern? Oder entsteht es in der Hülle?
Licht entsteht durch Elektronen in der Hülle des Atoms. Normalerweise befinden sie sich im energetischen Grundzustand. Erhalten sie – aus welchen Gründen auch immer – Energie, springen sie in einen angeregten Zustand. Dort bleiben sie aber nicht, sondern sie fallen in den Grundzustand zurück und geben dabei die Energie in Form eines Lichtquants ab. Dieses Lichtquant hat eine bestimmte Farbe – jene, die genau zu dieser Energiedifferenz der beiden Zustände entspricht.
So verschwindet auch Licht – es kann durch Elektronen absorbiert werden, die in einen angeregten Zustand kommen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photon
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Basics, Optische Phänomene |
Farben dünner Schichten sind schillernde Farben. Sie entstehen bei dünnen Schichten, etwa bei Seifenblasen, Ölfilmen und Beschichtungen von Brillen. Das Wesentliche ist die Interferenz. Aus dem Gemisch an Regenfarben, die das weiße Licht bilden, werden bestimmte Farben herausgelöscht. Und zwar jene, die zur Schichtdicke passen. Da sich diese meist verändert, oder an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich ist, sind es wechselnde Farben, die sich herauslöschen. Weißes Licht ohne die gelöschte Farbe ist bunt, und da sich diese gelöschte Farbe ändert, ändert sich auch die Buntheit – es schillert.
Interferenz bedeutet: zwei Wellen der gleichen Frequenz treffen aufeinander, sind aber unter Umständen etwas verschoben. Die erste Welle wird an der Oberseite der Schicht reflektiert, die zweite Welle wird an der Unterseite der Schicht reflektiert. Da die zweite Welle einen etwas weiteren Weg zurück gelegt hat, verschieben sich ihre Wellenberge und Wellentäler gegenüber jener der ersten Welle. Zusammen kann das zur “destruktiven Interferenz” führen, wenn Wellenberg auf Wellental trifft – die beiden Wellen löschen sich aus.
Solche Interferenzfarben können auch bei Schmetterlings- oder Insektenflügeln entstehen, da diese recht regelmäßige Stufen haben, die eine Lichtwelle wird an der einen Stufe reflektiert, die andere Lichtwelle an der nächsten Stufe. Und wenn die Stufenhöhe in der Größenordnung der Lichtwellenlänge ist, dann kann Interferenz stattfinden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Dünne_Schichten
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Basics, Optische Phänomene |
Ein Lichtstrahl breitet sich geradlinig aus. Er kann nicht um die Kurve gehen – man sieht also nicht bei einer Tür raus um die Ecke. Bei einer Schallwelle geht das aber schon – man hört auch Dinge außerhalb der Tür, die nicht sichtbar sind, die um die Ecke sind. Dieses Phänomen wird “Beugung” genannt. Die Welle wird dann gebeugt, wenn das Loch in der Größenordnung der Wellenlänge ist. Demzufolge kann auch Licht “um die Ecke”, wenn es durch ein sehr kleines Loch tritt, dann wird auch Licht gebeugt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Beugung_(Physik)
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Basics, Optische Phänomene |
Wenn zwei Wellen übereinanderlaufen, dann geschieht das im allgemeinen völlig unbeeinflusst voneinander. Die läuft durch die andere durch. Außer, wenn beide Wellen in die gleiche Richtung laufen, und die gleiche Frequenz haben. Dann gibt es zwei extreme Möglichkeiten:
- Wellenberg trifft auf Wellenberg – die Gesamtwelle verstärkt sich, wir sprechen von konstruktiver Interferenz.
- Wellenberg trifft auf Wellental – die Gesamtwelle löscht sich aus, wir sprechen von destruktiver Interferenz.
Es gibt dazu verschiedene Anwendungen und Phänomene, die man beschreiben kann. Bei Lichtwellen können sich in der Natur bestimmte Farben auslöschen. Das ist bei schillernden Schmetterlingsflügeln oder bei Ölfilmen auf der Straße sichtbar. Wir sprechen von Interferenzfarben oder von “Farben dünner Schichten”.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Interferenz_(Physik)
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Basics, Optische Phänomene |
Lichtwellen haben eine bestimmte Richtung, in die sie schwingen. Wir sprechen von Schwingungsebenen der elektromagnetischen Strahlung. Licht ist üblicherweise eine Mischung aus vielen unterschiedlichen Schwingungsebenen, aber unter bestimmten Umständen gibt es nur eine oder eine vorherrschende Schwingungsebene. Diese kann man dann mit Polarisationsfilter ausblenden, die gerade diese Schwingungsebene nicht durchlassen. Dann wird es dunkel.
Wann ist Licht polarisiert? Wenn es reflektiert wird, oder wenn man in einem bestimmten Winkel zum Himmel schaut. Unser Auge kann polarisiertes Licht nicht erkennen, es sieht “ganz normal” aus, aber mit einer Polarisations-Sonnenbrille werden diese Gegenden mit polarisiertem Licht dunkler. Im Kino kann Polarisation ausgenutzt werden, um dem einen Auge ein anderes Bild zu zeigen, als dem anderen Auge – man sieht den Film mit einer Polarisationsbrille, die für die Augen das jeweils andere Bild ausblendet.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Polarisation
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Basics, Optische Phänomene |
Normalwerweise breiten sich Lichtstrahlen geradlinig aus. Unser Auge und unser Gehirn “weiß” das und vermutet daher auch immer die Lichtquelle dort, wo die Lichtstrahlen herkommen. Es kann aber sein, dass diese Lichtwellen auf ihrem Weg ihre Richtung verändert haben, das sehen wir nicht und wir vermuten das Objekt dann an der falschen Stelle. Grund für die Änderung der Richtung des Lichts auf seinem Weg kann sein, dass es durch unterschiedlich dichte Luft ausbreitet, allgemeiner, durch unterschiedlich optisch dichte Medien. An den Übergängen dieser Medien wird das Licht gebrochen, es verändert seine Ausbreitungsrichtung. In der Wüste können diese unterschiedlichen Medien kühle und heiße Luftschichten sein – eine Fata Morgana entsteht. Das sieht man auch über heißen Straßen.
Oder ein Lichtstrahl wird von einer Taschenlampe schräg in ein Aquarium geleuchtet, oder ein Fisch sieht aus dem Wasser heraus eine Mücke fliegen. Je schräger er auf die Wasseroberfläche hinsieht, desto stärker ist die Lichtbrechung. Wird ein bestimmter Winkel überschritten, findet der Grenzübertritt mit Brechung gar nicht mehr statt, sondern das Licht wird reflektiert. Wir sprechen von Totalreflexion. In einem Glasfaserkabel ist das der Fall.
Link: Totalreflexion | Fata Morgana
Basics, Optische Phänomene |
Man kann davon ausgehen, dass sich Licht absolut geradlinig ausbreitet, und dabei den kürzesten Weg nimmt. Das ist das Fermat’sche Prinzip, das allerdings nicht auf der großen Skala im Universum stattfindet, wo es Raumzeitkrümmungen in der Nähe von großen Massen gibt, dem auch das Licht folgt. Eine der großen Bestätigungen für die Relativitätstheorie war die Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919. Damals zeigte sich, dass man einen Stern gleich neben der Sonne sehen kann, der eigentlich hinter der Sonne sein müsste. Die Sonne hat als große Masse die Raumzeit gekrümmt, und das Licht biegt sich um die Sonne herum. Aber: wie gesagt, das ist ein Spezialfall.
Auf der Erde sind die optischen Gesetze da. Geradlinig, Licht ist eine Welle. Es gibt Reflexion an spiegelnden Flächen – Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel, und es gibt die Lichtbrechung, wenn das Licht von einem optisch dichten in ein optisch dünnes Medium wechselt und umgekehrt – da wird die Richtung verändert. So funktionieren Brillen, Linsen, und wenn man Linsen kombiniert, kann man Fernrohre bauen, die Entfernte Dinge vergrößern, und Mikroskope, die nahe Dinge vergrößern.
Die Lichtgeschwindigkeit kann man auch messen – rund 300.00 km pro Sekunde.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Optik und https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit
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Basics, Optische Phänomene |
Licht ist ja eigentlich unsichtbar. Man sieht Licht nur, wenn es auf Objekte trifft. Dann werden sie hell. Solche Objekte können auch Teilchen in der Luft sein, Nebel zum Beispiel. Wenn Sonnenlicht durch eine etwas nebelige Landschaft sieht, dann sehen wir “Lichtstrahlen”. Diese Lichtstrahlen breiten sich von der Lichtquelle aus. Wer also das Verhalten von Licht studieren will, könnte mit der Idee der Lichtstrahlen arbeiten, und so seine Zeichnungen auf Papier machen. Man kann studieren, wie Glaslinsen den Weg dieser Lichtstrahlen verändern. Wie ein Spiegel diese Lichtstrahlen reflektiert. Insgesamt sprechen wir hier von “geometrischer Optik”, weil sie mit einem Lineal gemacht wird. Es wird dabei angenommen, dass sich Licht geradlinig und auf dem kürzesten Weg ausbreitet (Fermat’sches Prinzip). Also genau so, wie man mit einem Lineal zeichnen kann.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Geometrische_Optik
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Es gibt zwei Arten von Wellen: Die einen sehen aus wie Wasserwellen. Sie werden Transversalwellen genannt, weil das schwingungsfähige Material senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Die anderen sehen aus wie Schallwellen. Sie werden Longitudinalwellen genannt, weil die Schwingungen in Ausbreitungsrichtung (Verdichtung und Entdichtung der Luft) stattfindet.
Interferenz ist, wenn zwei Wellen übereinanderlaufen und sich verstärken, weil sie die gleiche Frequenz haben und Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental fällt. Sie können sich aber auch auslöschen, wenn sie die gleiche Frequenz haben und Wellenberg auf Wellental trifft. Das kann bei Schall passieren (Anti-Noise-Kopfhörer), oder auch bei Licht. Da löschen sich oft nur passende Frequenzen (Farben) aus dem Lichtspektrum des weißen Lichtes, so dass schillernde Farben entstehen, bei Seifenblasen, Schmetterlingsflügeln etwa. Diese Farben werden Interferenzfarben genannt.
Von Beugung spricht man, wenn eine Welle beim Durchgang durch ein Loch “die Kurve kratzt”, also sich um die Ecke herumbiegt und in den – man sagt – Schattenraum hinter dem Loch geht. Das ist dann möglich, wenn das Loch ungefähr die Größe der Welle selbst hat. man kann also um die Ecke hören (Schallwellen haben eine Wellenlänge um 1 m, so groß ist auch die Tür), man kann Licht um die Ecke eines kleinen Löchleins schicken. Beugung und Lichtinterferenz kann es auch bei Gittern geben, bei einem feinen Vorhang zum Beispiel. Plötzlich sieht man Regenbogenfarben, die durch Interferenz entstehen.
Polarisation: Das ist zum Beispiel bei Lichtwellen, wenn die elektromagnetischen Wellen in eine Richtung schwingen. normalerweise tun sie das bei Licht in alle möglichen Richtungen, wenn Licht aber von einer spiegelnden Fläche reflektiert wird, dann ist dieses reflektierte Licht polarisiert, schwingt in eine bevorzugte Richtung. Polaroidbrillen können diese Schwingungsrichtung ausblenden, man wird also durch die reflektierten Strahlen nicht mehr geblendet, die Farben erscheinen satter, und man kann die Fische im Wasser besser beobachten.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Welle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn eine elektrische Ladung beschleunigt wird. Diese Wellen breiten sich im Raum aus.
Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Diese Wellen sind Wellen in der Raum-Zeit. Die Massen müssen groß sein, zum Beispiel wenn sich zwei schwarze Löcher vereinigen. Gravitationswellen wurden tatsächlich mit großen Interferometern gemessen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Die Effekte der Quantenphysik treten in der Welt der kleinsten Teilchen auf, auf atomarem Niveau und darunter. Erst Anwendungen wie Laser, Elektronenmikroskopie oder Supraleitung machen quantenmechanische Effekte in unserer Welt erfahrbar. Die Quantenphysik bringt mit ins Spiel…
- Die Heisenberg’sche Unschärferelation: Es ist unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig genau festzustellen. Statt Elektronenbahnen um Atome werden daher Orbitale gezeichnet, Aufenthaltsräume für Elektronen, in denen sie sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit befinden.
- Die Quantisierung: Einige physikalische Größen wie Energie oder elektrische Ladung können nur in Vielfachen eines kleinsten Einheitswertes auftreten.
- Das Ausschließungsverbot: Elementarteilchen mit denselben Quantenzahlen, die ihren Zustand beschreiben, können nicht zur selben Zeit am selben Ort sein. Das gilt aber nicht für alle Elementarteilchen, woraus sich wiederum herrliche Fragestellungen ergeben…
- Die Verschränkung: Zwei Elementarteilchen, die „verschränkt“ sind, sich aber an zwei verschiedenen Orten befinden, sind „geisterhaft verbunden“. Beobachtet man das eine, ist unmittelbar der Zustand des anderen festgelegt. Quantenteleportation (“Beamen”), Quantenverschlüsselung und Quantencomputer werden damit möglich.
- Die schwierige Messung: Messen stört dermaßen, dass entweder quantenphysikalische Phänomene ganz verschwinden, oder die Messung das Gemessene so stark beeinflusst, dass es gravierend verändert wird.
- Den Welle-Teilchen-Dualismus: Nicht nur Licht ist eine Welle und ein Strom von Teilchen (Photonen) gleichermaßen, sondern auch Materie. Auch Elektronen, Protonen, und was auch immer sind Teilchen und Welle zugleich. Manche Experimente zeigen den Teilchencharakter, andere den Wellencharakter.
In der Quantenwelt können Sie durch die Wand gehen, ohne weiteres aus einem Glas fließen, oder sonst irgendwelche krummen Sachen machen. Aber geben Sie Acht: alles ist unvertraut, wir sind dort nicht zuhause!
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik
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