Genauer gefragt:
Warum läst Glas Licht so gut durch und warum nimmt man Glas als Lichtleiter (Glasfaser) und nicht ein Vakuum.
Was genau stört das Licht (Protone, Elektronen,...?)
danke euch
lieber joachim,
na schon brav am facharbeit schreiben?
ich versuch dir mal eine antwort in kurzform zu geben, wenn du buchempfehlungen magst,dann mail mir doch.
warum ist glas durchsichtig?
nun ja, glas ist gar nicht so durchsichtig.
erst einmal ist es undurchsichtig fuer ultraviolettes licht (deshalb bekommt man hinter glasscheiben keinen sonnenbrand), aber gut durchlässig für infrarotes licht (denk daran, wie warm glühbirnen abstrahlen)
aber selbst fuer "normales" Licht ist glas nicht sehr durchsichtig. aber da es im alltag nur in dünnen scheiben auftaucht, fällt dies gar nicht auf (und den leuten, die glasfasern entwickelten, ist dies auch anfangs nicht aufgefallen, da es keine sehr langen glasfaserstrecken gab)
warum nimmt man kein vakuum?
nun ja, du hast recht, vakuum würde das licht nicht dämpfen. aber worin willst du es aufheben? ein metallrohr? das wäre dann vermutlich nicht sehr biegsam und müsste dazu innen verspiegelt werden...und wäre sehr sehr empfindlich.
es gibt aber auch "glasfasern" aus kunststoff. allerdings haben die eine ähnlich hohe dämpfung
wie ist das mit dem licht in kurven?
dies ist auch ein vorteil von glasfasern:
sie bestehen nämlich nicht nur aus einem stück glas, sondern aus meist drei schichten mit verschiedenen brechungsindex. Die innerste hat den höchsten und nach aussen hin nimmt er ab. das führt dazu, dass das licht in der faser totalreflektiert wird uns ich sich somit in einer zickzacklinie fortbewegt. (snells gesetz)
was bremst das licht?
ohmann, du kannst vielleicht fragen stellen! und alle in einem posting!
hier also die superkurzvariante:
erinnerst du dich daran, dass es in einem atom verschiedene e- schalen gibt? Wenn so ein Atom "angeregt" ist, bedeutet dass, dass sich ein oder mehrere elektronen in höheren schalen befinden, obwohl in tieferen noch platz wäre. Fallen diese dann hinunter, so wird die energiedifferenz der schalen in form von licht abgestrahlt. aber das funktioniert auch andersherum: licht wird eingestrahlt, und wenn die wellenlänge passt (je kürzer, desto mehr energie), wird sie vom atom absorbiert ("geschluckt") und ein elektron springt in eine höhere schale.
im glas gibt es nun im sichtbaren licht verhältnismässig wenig dieser Übergänge, deswegen erscheint es durchsichtig. ausserdem wird die strahlung auch von dem gitter absorbiert etc und erzeugt so wärme
(da bin ich mir jetzt gar nicht so sicher...muss aber so sein..irgendwas wird immer vom körper an sich absorbiert und in bewegung (Wärme) umgewandelt.)
so, das ist jetzt nur die superkurzvariante, aber du kannst mir gerne nochmal schreiben (wie gesagt, ich lerne ohnehin für meine prüfung)
ich kann dir evtl auch noch dies oder das buch empfehlen, je nachdem wie hoch dein wissenstand ist
noch viel spass
michaela
warum nimmt man Glas als Lichtleiter
(Glasfaser) und nicht ein Vakuum.
Is ja wohl ganz klar, du bräuchtest ja unbedingt eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger für dein Verfahren, in der Glasfaser werden die Wellen reflektiert, also du kannst sie sozusagen "ums Eck" rum legen.
Damit warum glas oder andere dinge eigentlich durchsichtig sind, beschäftige ich mich auch öfters, allerdings habe ich noch keine akzeptable erklärung erhalten.
Auf eines bin ich jedoch draufgekommen, daß durchsichtige dinge eben auch einen durchsichtigen schatten haben g*.
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Hallo Ulrich,
Damit warum glas oder andere dinge
eigentlich durchsichtig sind, beschäftige
ich mich auch öfters, allerdings habe ich
noch keine akzeptable erklärung erhalten.
Die Frage, warum Glas durchsichtig ist, läßt sich sehr einfach beantworten. Es hat einen sehr kleinen Absorptionskoeffizienten für sichtbares Licht (der aber *nicht* null ist). Das gleiche gilt für Wasser. Wenn man nur eine ausreichend dicke Schicht Glas oder Wasser nimmt nimmt, dann ist diese nicht mehr transparent.
Absorption hat übrigens fast immer etwas mit sogenannten elektronischen Übergängen zu tun. Lichtteilchen werden absorbiert und heben auf diese Weise Elektronen in Zustände mit höherer Energie. Da die Lichtteilchen damit verschwinden, wird die Intensität des Lichts kleiner -> Absorption. Das kann nur für eine ganz bestimmte Energie zutreffen oder für ein breites Spektrum. Im Falle einzelner Energien werden nur Lichtteilchen einer ganz bestimmten Energie (=Frequenz=Farbe) absorbiert. Damit läßt auch sofort verstehen, wie Farben und Farbstoffe entstehen und funktionieren.
Ich habe vor einiger Zeit übrigens ein sehr informatives Bild gesehen, das einen Brillenträger zeigt, der sich eine Siliziumscheibe vors Gesicht hält. Jeder wird sich das vorstellen können - ein graue Scheibe verdeckt das Gesicht. Nun ist aber dieses Bild im infraroten aufgenommen. Im IR ist Silizizum vollkommen durchsichtig (der Abs.Koeff. ist exakt 0), denn es handelt sich um einen Halbleiter mit einem Energiebereich, in dem keine Elektronen existieren können. Folglich können dorthin auch keine Elektronen angehoben werden und keine Lichtteilchen absorbiert werden. Das Si ist also (im IR!) völlig durchsichtig. Andererseits ist Glas im fernen IR *nicht* mehr durchsichtig.
Die Aufnahme zeigt also das (warme) Gesicht des Brillenträgers, das *hinter* der Si-Scheibe deutlich zu sehen ist. Allerdings sind die (kalten) Brillengläser für die IR-Kamera nicht durchsichtig. Die Augen des Mannes sind also nicht zu sehen.
Ich fand das Bild recht beeindruckend, denn besser kann man kaum zeigen, wie schnell sich die Begriffe durchsichtig u.ä. in einem anderen Lichtwellenlängenbereich ändern können.
Markus
Lieber Joachim,
den ersten Teil hat ja Michaela schon recht gut beantwortet. Insofern versuche ich mich an einer möglichst ausführlichen Antwort auf deine 2. Frage.
Ich hoffe, ich gehe nicht zu sehr ins Detail. Wenn du noch Fragen hast, nur zu...
Was genau stört das Licht (Protone,
Elektronen,...?)
Ich nehme mal an, du fragst dich hier, warum das Licht im Glas sich anders ausbreitet als im Vakuum - sprich, warum es langsamer läuft. Das kann man zunächst mal als exprimentelle Tatsache akzeptieren; das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Glas zur Vakuumlichtgeschw. ist ja als der Brechungsindex definiert und wenn man den kennt, kann man schon ziemlich viel Optik machen.
Aber wie läßt sich verstehen, das es einen Brechungsindex gibt und warum das Licht im Glas langsamer läuft? In wenigen Worten kann man es so sagen: die elektromagnestische Welle des Lichts regt die Elektronen zu erzwungenen, kollektiven Schwingungen an (das Glas wird also lokal polarisiert). Diese strahlen wiederum und senden dabei Sekundärwellen aus, die sich zu einer phasenverzögerten (langsamer!) Lichtwelle überlagern.
Es ist durchaus möglich, das Verhalten des Lichts im Glas mikroskopisch zu beschreiben. Man betrachtet also, was die einzelnen Atomkerne und Elektronen tun. Aber in allen praktischen Problemen geht man sehr schnell zu einer makroskopischen Beschreibung über; man *mittelt* also über viele Atomkerne und Elektronen (genauer gesagt, über die von ihnen erzeugten elektrischen und magnetischen Felder). Zum Beispiel berechnet man aus der Verschiebung der Elektronen (Dipol!) die sog. Polarisation des Glases. Nach diesem Übergang kann man wieder die vertrauten Methoden der Elektrodynamik anwenden und davon ausgehen, daß Licht eine elektromagnetische Welle ist. Das hat einfach pragmatische Gründe - man kann alles auch quantenmechanisch rechnen, aber in den meisten Fällen ist das deutlich schwieriger und es kommt eh das gleiche raus.
Ach ja, wichtig ist hier noch, daß noch irgendwo (in den elektromagn. Gleichungen) die Information über die atomare Mittelung stecken muß. Beim elektrischen Feld (der Lichtwelle) taucht daher eine Zahl namens Epsilon auf. Die kennst Du vielleicht aus der Schulphysik als "Dielektrizitätskonstante". Allerdings ist sie hier nicht mehr konstant, sondern hängt vor allem von der Frequenz (Achtung: die Wellenlänge ändert sich im Glas!) des Lichts ab.
OK, müssen wir also nicht mehr verstehen, was die Atome und Elektronen im Glas und was die Photonen des Lichts tun, sondern die Frage lautet, wie verhält sich die elektromagnetische Welle des Lichts *im* Glas. Und genau dieses Verhalten läßt sich durch die sogenannte "dielektrische Funktion" beschreiben. Denn genau in dieser Funktion stecken nämlich die Eigenschaften des Glases drin. Die diel. Funktion ist nichts anderes als das "Epsilon" in Abhängigkeit von der Lichtfrequenz. Sobald ich die diel. Funktion kenne, weiß ich, wie sich das Licht verhält.
Wie, daß läßt sich nun in Länge ausrechnen. Von Bedeutung ist aber, das ich, sobald ich die dielektrische Funktion, also Epsilon für alle (Licht-)Frequenzen kenne, automatisch auch den Brechungsindex - und den Absorptionskoeffizient - kenne. Und damit habe ich erreicht, was ich eigentlich wollte - ich habe ausgehend von der atomaren Struktur des Glases ausrechnen können, wie ein Brechungsindex entsteht, warum sich also das Licht im Glas langsamer ausbreitet.
Ach ja, zum Schluß noch ein Buchtip: wenn dich das ganze in mathematischen Details interessiert, dann wirf doch mal einen Blick in "Demtröder: Experimentalphysik, 2. Band, Kapitel 8". Ist so etwa auf dem Nivau vom 2. Semester Physikstudium. Aber bevor du dir es kaufst, schau dir das Buch vorher mal an (zB Unibücherei).
Liebe Grüße,
Markus
