Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 4: Wellen und Optik

274 Pages·2017·9.578 MB·German

by  Joachim Heintze, Peter Bock

Joachim Heintze
Peter Bock Hrsg.
Lehrbuch
zur Experimental-
physik
Band 4: Wellen und Optik
Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 4:
Wellen und Optik
Joachim Heintze
Peter Bock (Hrsg.)
Lehrbuch zur
Experimentalphysik
Band 4: Wellen und Optik
JoachimHeintze
Fak.PhysikundAstronomie,
PhysikalischesInstitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
Herausgeber
PeterBock
Fak.PhysikundAstronomie,Physikalisches
Institut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
E-mail:[email protected]
ISBN978-3-662-54491-4 ISBN978-3-662-54492-1(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54492-1
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DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany
Vorwort
ÜbervieleJahrzehntewurde imgroßenHörsaalimPhysikalischenInstitutderUniversität
Heidelberg,amPhilosophenweg12,einegroßePhysikvorlesungveranstaltet.
Haupt-undNebenfach-StudentenhörtengemeinsamdieseVorlesung.Inden1970erJahren
platzte dann jedoch der Hörsaal aus allen Nähten. Die Vorlesungen waren total überfüllt.
HerrHeintzeerkannte,dassdiesgeändertwerdenmuss.AlsDekansorgteerfürdenNeu-
bau des neuen Hörsaalgebäudes INF 308. 1979 wurde hier schließlich die erste Vorlesung
gehalten.
HerrnHeintzewar,wiemandaransehenkann,dieLehresehrwichtig,besondersdieVorle-
sung.BisherhatteichihnalsInstitutsdirektorodergroßenWissenschaftlererlebt.Von1981
anlernteichihnauchalsVorlesungsdozentkennen.
AndersalsmancheanderenDozentenhatHerrHeintzeüberdieZeithinwegalleKapitelder
Experimentalphysik behandelt, so dass ich das gesamte Programm der Vorlesung kennen
lernen durfte. Neue Methoden wurden geprüft, traditionelle Erkenntnisse erhalten, histo-
rische Experimente restauriert. Herr Heintze stellte sich mir dabei nicht nur als Professor
dar, sondern er war auch Ingenieur. So bautenwir gemeinsam über die Jahre hinweg vie-
leExperimentefürunsereStudenten.AuchderberühmteHeidelbergerLöwenschussistso
entstanden,mitdemdieSuperpositionvonBewegungenveranschaulichtwird.
In dieser Vorlesungsphase habe ich viel gelernt und den Sinn und Lerneffekt der Experi-
menteverstanden.FürmichistHerrHeintzederVaterdieserVorlesungundeinväterlicher
Freundgeworden.
Auch die Idee zu diesem Buch entstand hier in dieser Vorlesung. Ich erinnere mich, dass
Herr Heintze einmal am Dozentenschreibtisch saß, unweit meines Schreibtisches. Und er
nahmausunsererkleinenBibliothekeinBuchnachdemandern,fandabernichtdas,waser
suchteundwarrechtunzufriedendabei. NacheinigerZeitmachteichHerrnHeintzeklar,
dassnurerinderLagesei,dieszuändern.ErhatteingenaudieserVorlesunggroßeErfah-
rung und er kannte die Vorlesung von Otto Haxel, den er auch manchmal hatte vertreten
müssen.ZunächststießdieIdeeeineseigenenBuchesnichtaufZustimmung–HerrHeintze
verneinte,soeinfachseidiesnichtundüberhaupt... KurzeZeitspäterjedochstanderauf
und verließ das Gebäude, um nach 15 Minuten zurück zu kehren. Er sagte: „Ichhabe mir
dasüberlegt,ichwerdeeinBuchschreiben.“
Auch nach seiner Emeritierung 1991 haben wir zusammen Experimente aufgebaut und
ausgewertet, um einiges näher zu untersuchen, was in vielen Physikbüchern nicht richtig
dargestelltist.BeiderWeihnachtsfeier2011sagteermir:„Wirmüssenunsnochmalmitder
anomalenDispersionbeschäftigen.“Leiderkamesnichtmehrdazu.
30 Jahre hat es gedauert, bis die Physikbücher zur Experimentalphysik entstanden sind.
HerrnHeintzewaresnichtmehrvergönntseinWerkzuvollenden.Sofühlenwirunsver-
pflichtet, dies zu tun. Möge es dazu dienen unseren Studenten die Schönheit der Physik
aufzuzeigen,Zusammenhängezusehen,dasStudiumzuerleichternunddamitdiesesVer-
mächtniszuerkennenundweiterzutragen.
Hans-GeorgSiebig,Vorlesungsassistent
Vorwort
DiesistdervierteBanddesPhysikbuchsunseresVaters.ErwarPhysikermitLeibundSeele.
GelangdieVorlesungoderdasExperiment,kamergutgelauntnachHause.Dahintersteckte
seinetiefeLiebezurPhysikunddasBedürfnisdieseErkenntniszuverbreiten.
In der Forschung hatte er das Glück in einer überaus spannenden Zeit bei der Entwick-
lung der Elementarteilchenphysik durch „elegante“ Lösungen und „schöne“ Experimente
anCERNundDESYmitzuwirken.DabeiwurdennichtnurErfolge gefeiert.Auchwennes
mal nicht so recht voranging, setzte man sich mit den Kollegen erst mal bei gutem Essen
zusammen.
Nachdenken konnte unser Vater am besten bei körperlicher Arbeit und zwar an der fri-
schen Luft. Manche Steinplatte in unserem Garten lässt sich wohl so der Lösung eines
physikalischenProblemszuordnen.DetektorenausHeidelbergwiederumhießenTulpeund
Margerite.
VielerleiPlänefürdieZeitnachseinerEmeritierunggaberauf,umdiesesBuchzuschreiben.
DiesführteihnzueinemimmertieferenVerständnisderklassischenPhysikundzuintensi-
verAuseinandersetzungmitdermodernenForschung.SeinAnspruchwares,vorgefertigte
Denkwegenurzubeschreiten,wennsieauchseinerstrengenÜberprüfungstandhielten.War
dasnichtderFall,musstenneueWegegefundenwerden,umZusammenhängedarzustellen.
Prof.Dr.PeterBockhatesübernommen,dasBuchimSinneunseresVatersnachdessenTod
zuvervollständigen.IhmgiltunserbesondererDank.
GeschwisterHeintze
Vorwort
Das vorliegende Buch ist der vierte Band der Lehrbuchreihe von Joachim Heintze (1926–
2012), die im Zusammenhang mit seinen Vorlesungen über Experimentalphysik an der
UniversitätHeidelbergentstandenist.
EsbehandeltdieWellenerscheinungeninallihrenFormen,insbesonderedieOptik.Wiedie
vorangegangenen Bände enthält es neben Grundwissen etliche weitergehende Informatio-
nen, als Beispiele seien der FEL und die Korrelationsinterferometrie genannt. Ein weiteres
Kennzeichendes„Heintze”sinddie historischenAnmerkungenundbiographischenNoti-
zenindenFußnoten.
An dem von J. Heintze verfassten Text wurden, von wenigen Ausnahmen abgesehen,
keine Veränderungen vorgenommen. Hinzugefügt wurden die meisten Übungsaufgaben.
ErgänzungengabesindenBereichenSpektroskopieundMikroskopie.WeildasBuchWel-
lenerscheinungen aus allen Gebieten der Physik enthält, wurde aus aktuellem Anlass ein
AbschnittüberGravitationswellenangefügt.Diesistinsofernetwasheikel,alsdieserBand
natürlich kein Lehrbuch überAllgemeine Relativitätstheorieseinkann, abertrotzdem etli-
cheSachverhaltedarausbenötigtwerden.HierließensichBrückenschlagenzuDingen,die
J.HeintzebereitsananderenStellenbehandelthatte.
BeiderBearbeitungdesvorliegendenBandeshabeichvielerleiUnterstützungerfahren.So
hat sich Herr M. Heintze um die Probleme des Copyrights bei den Abbildungen geküm-
mert. Herr R. Weis hat die Rechner-Infrastruktur bereitgestelltund alle software installiert
undgewartet,diezurBearbeitungundSicherungdesTextesnotwendigist.FrühereLateX-
VersionendesBucheswurdenvonHerrnC.Wernererzeugt,dessenDatenichübernehmen
konnte. Die Zeichnungen wurden von Herrn J. Pyrlik angefertigt, der auch alle anderen
AbbildungenfürdenDruckaufbereitethat.DiesesBuchwärenichtentstandenohnedieUn-
terstützungdurchdie Vorlesungstechniker,HerrnH.-G.SiebigundG.Jähnichensowiedie
fotografischeTätigkeitvonHerrnR.Nonnenmacher.VieleexperimentelleAufbautenzurFo-
tografievonBeugungsfigurengehenaufHerrnJ.Wagnerzurück,demichdafürzugroßem
Dank verpflichtetbin.HerrW.TrosthateinigePassagendiesesBandeskritischdurchgese-
hen.
MeinbesondererDankgiltFrauA.Pucci,Kirchhoff-InstitutderUniversitätHeidelbergund
Herrn J. Engelhardt, Krebsforschungszentrum Heidelberg und BioQuant-Zentrum Heidel-
berg, die Abbildungen zur Fourierspektroskopie bzw. zur STED-Mikroskopie angefertigt
und zur Verfügung gestellt haben und mich auf Fehler oder Unklarheiten im Text hinge-
wiesenhaben.ZusehrgroßemDankbinichauchdenHerrenB.Willke,B.Knispel,S.Kaufer
undP.OppermannvomMaxPlanck-InstitutfürGravitationsphysikinHannoververpflich-
tet,diemichübervieleDetailsderGravitationswellenexperimenteaufgeklärthaben.
Die Entstehung desGesamt-WerkeshatH.G. SiebiginseinemVorwort eingehendgeschil-
dertundseinenSchlusssätzenkannichmichvollanschließen.
P.Bock
JoachimHeintze(1926–2012)studiertenachdemEndedesZweitenWeltkriegesinBerlinund
GöttingenPhysikundwurdeinGöttingenSchülervonOttoHaxel,demernachHeidelberg
folgte,woerseinePromotionabschlossundsichauchhabilitierte.Anschließendarbeiteteer
mehrereJahreamCERNinGenf.Von1963anbiszuseinerEmeritierung1991warerOrdi-
nariusfürPhysikamI.PhysikalischenInstitutderUniversitätHeidelberg,woerzeitweilig
auchalsDekanwirkte.
Als Forscher ist sein Name untrennbar mit der Entwicklung von Spurendetektoren für
hochenergetischgeladeneTeilchenverbunden.DurchseineArbeitenüberschwacheWech-
selwirkung und Elektron-Positron-Vernichtung hat er die Teilchenphysik über viele Jahre
hinwegwesentlichmitgeprägt.
Für seine Arbeiten über seltene Pionen-Zerfälle erhielt er 1963 den Physikpreis der DPG;
1992wurdeihmderMaxBorn-Preisverliehen.J.HeintzewaraucheinengagierterLehrer;
dieses Buch ist aus seinen Vorlesungen über Experimentalphysik für Studenten der ersten
Semesterhervorgegangen.
Inhaltsverzeichnis
TeilI WellenlehreundOptik
1 GrundbegriffederWellenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 TypischeWellenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 EbeneharmonischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Fourier-Analyseund-SynthesevonFunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 DispersionvonWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 DieklassischeWellengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 SpezielleWellenerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 WellenaufeinemelastischenSeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Wasserwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 ElektromagnetischeWellen(Grundbegriffe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 MehrüberelektromagnetischeWellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 BugwellenundStoßwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 Energie-undImpulstransportinWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 DerWellenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 EnergietransportinSchallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 EnergietransportinelektromagnetischenWellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 ImpulstransportinWellen,Strahlungsdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 WeitereszurmathematischenDarstellungvonWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 DerWellenvektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 KomplexeDarstellungvonWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 WellengruppenundWellenpakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 DieFourier-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 BrechungundReflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1 ExperimentelleGrundlagenundHuygensschesPrinzip. . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 Totalreflexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 DispersionundAbsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 ReflexionundTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6 GeometrischeOptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1 LichtstrahlenundFermatschesPrinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 AbbildungmitLinsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3 AbbildungmitSpiegeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
XIV Inhaltsverzeichnis
7 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1 InterferenzvonzweiWellenzügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.2 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3 Vielstrahlinterferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.4 LaserI:DerLaser-Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.1 BeugungsphänomeneundBeugungstheorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.2 Fraunhofer-Beugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.3 Fresnel-Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.4 Fourier-OptikundHolografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9 PolarisiertesLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.1 Polarisationszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.2 PolarisationseffektebeiderEmission,AbsorptionundReflexionvonLicht . 197
9.3 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
9.4 InduzierteDoppelbrechung,nichtlineareOptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10 Gravitationswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.1 DasRaum-Zeit-KontinuuminderAllgemeinenRelativitätstheorie . . . . . . 226
10.2 SchwarzeLöcherundGravitationswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3 NachweisderGravitationswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
TeilII Anhang
11 LösungenderÜbungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Abbildungsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Personen-undSachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265