Physik III, Optik

• Die wirkliche Welt
Bisher haben wir Licht nur in Medien mit räumlich konstantem Brechungsindex betrachtet
oder Grenzflächen zwischen solchen Medien. Die Welt ist natürlich voll von
verschiedenen optischen Medien. Beim Übergang zwischen den Medien macht der
Brechungsindex Sprünge aber auch innerhalb eines Medium kann der Brechungsindex
fluktuieren. Dichteschwankungen in Gasen, Einschlüsse oder Störungen des Kristallgitters
in Festkörpern, Gemische von Flüssigkeiten wie z.B. Öl und Wasser sind selber
schon bereits physikalische Idealisierungen all dessen, was uns umgibt und durch die
Wechselwirkung mit Licht sichtbar wird. Regenbogen, Nebel, Dunst, Farbe und Glanz
von Oberflächen etc. sind nur einige Beispiele. Dazu kommt die Abhängigkeit des
Brechungsindex von der Richtung des Feldes, die aus der dem Brechungsindex zugrundeliegenden
dielektrischen Funktion einen komplexwertigen Tensor macht. Dieser
komplexwertige, dielektrische Tensor ε(ω,~r, t) der wirklichen Welt enthält letztlich
alle optischen Phänomen, vom Kinofilm bis zum Sonnenuntergang. Ihn wenigstens in
winzigen Ausschnitten zu untersuchen ist Gegenstand der klassischen Optik.
5.4 Photonen
Licht kann man sich als eine Ansammlung von Teilchen vorstellen, den Photonen. Diese
Teilchen sind punktförmig und haben keine Masse. Sie tragen aber sowohl Energie als auch
Impuls und Drehimpuls. Jede der drei Eigenschaften sind mit einer bestimmten Welleneigenschaft
verbunden.
• de Broglie-Beziehungen
Die Energie des Photons ist proportional zur Kreisfrequenz und der Impuls proportional
zum Wellenvektor.
ε = ~ω
~p = ~ ~ k.
Die Proportionalitätskonstante ist das so gennante Plancksche Wirkungsquantum,
~ =1.05457266 × 10 −34 J s .
Die sind die berühmten de Broglie-Beziehungen (sprich Brolie). Sie verknüpfen die
charakteristischen Eigenschaften von Wellen mit den charakteristischen Eigenschaften
von Teilchen. Die de Broglie-Beziehungen wurden zunächst auf Elektronen bezogen,
die dadurch überraschenderweise mit neuartigen, noch unbekannten Materiewellen in
Verbindung gebracht werden konnten. In der Optik waren die Wellen zuerst da. Sie
kann man durch die de Broglie Beziehungen mit neuartigen Teilchen in Verbindung
bringen, den Photonen.
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