Physik III - Wellen und Quanten (4 st.)

I) Einführung - Was ist Licht, elektromagn. Strahlung? (Def. Optik)

historischer Überblick, Ätherhypothese, Messung der Lichtgeschwindigkeit
Ableitung der Wellengleichung aus den Maxwell-Gleichungen (Math.: lineare partielle Differentialgleichung)
ebene harmonische Welle und Kugelwelle
Dispersionsrelation für Licht
Superpositionsprinzip, Wellenpaket, Komplementarität zwischen Ortsdarstellung und Impulsdarstellung
(math. Einschub: Fourierreihe, Fouriersynthese, Fourierintegral)
Brechungsindex im Medium, Materialdispersion, Gruppen- und Phasengeschwindigkeit

Geltungsbereich ( Wellenlänge << typ. Abmess. von Blenden etc.)
Huygenssches Prinzip → Reflexionsgesetz, Brechungsgesetz (Snellius)
Fresnelschen Formeln (keine Ableitung) → Brewstersches Gesetz, Totalreflexion → evaneszente Welle → Nahfeldmikroskop (SNOM)
Fermatsches Prinzip, Prisma, brechende Kugelfläche
optische Abbildungsgleichung; Def. dünne Linse, paraxiale Näherung (Gaußsche Optik), "Linsenmacherformel"
Abbildungsgleichung für Linsen und Hohlspiegel (Sammellinse, Zerstreuungslinse, konkaver, konvexer Spiegel), Def. reelles, virtuelles Bild
Linsenfehler (chromatisch, monochromatisch, Koma, Astigmatismus)
Linsensysteme (Kombination zweier dünner Linsen, Einführung des Konzepts der dicken Linse) → Matrixmethode
(Math.: Rechnen mit Matrizen); nicht abbildende Systeme: Beispiel Fresnel-Linse
optische Instrumente: Auge, Lupe, Mikroskop, Fernrohr (Def. Vergrößerung)

Geltungsbereich komplementär zur Strahlenoptik
Kirchhoffsche Beugungstheorie (keine Herleitung), übliche Vereinfachungen, z.B. Betrachtung eines skalaren Feldes
(Math.: Greenscher Integralsatz, wird jedoch nicht verwendet)
Fresnel-Huygenssches Prinzip; Fraunhofersche Beugung (Math.: Taylor-Reihe)
Spezialfälle der Fraunhoferschen Beugung: langer Spalt, kreisförmige Blende (Math.: Bessel-Funktion) → beugungsbegrenzte Divergenz (Rayleigh-Kriterium → Auflösung des Mikroskops), Doppelspalt
Kohärenz (räumlich und zeitlich)
Beugung am Gitter → Gitterspektrometer (Auflösung), im Vgl. dazu Prismenspektrometer, Fourier-Spektrometer
Fraunhofersche Beugung → Fresnelsche Beugung für endliche Abstände
Fresnel-Zonen → diffraktive Optik → Fourier Optik, moderne Anwendungen
Interferenzen gleicher Neigung, Dicke, Vielfachinterferenzen → Vergütungen von Oberflächen, Reflex-, Antireflexbeschichtungen
dielektrische Spiegel, auch schräger Einfall
Holographie: unterschiedliche Arten (Beleuchtung mit monochrom. Licht/Weisslicht, Durchlicht/Reflexion)

linear, zirkular, elliptisch polarisiertes Licht; unpolarisiertes, natürliches Licht
Polarisatoren, Malussches Gesetz; Mechanismen zur Änderung der Polarisation: Reflexion, ...
Gitterpolarisatoren, Doppelbrechung (Dichroismus)
→ optische Aktivität: Vereinf.: optisch einachsiger Kristall (ordentlicher und außerordentl. Strahl)
Lamda/2- und Lamda/4-Platte
induzierte Doppelbrechung: Spannungsdoppelbrechung, Kerr- Effekt
Pockelszelle, Faraday-Modulator

Lösungen der Helmholtzgl. → Wellenleiter, Hohlleiter → Modenstruktur
Laser- und Mikrowellenresonatoren
Evaneszente Wellen
Moderne optoelektronische Komponenten: Glasfaser, Halbleiterlaser (Anw. im CD-Spieler), integrierte Optik (Richtkoppler, Multiplexer)

Schwarzkörperstrahlung (als Einführung) ohne Experiment, Resonatorbild → Einführung von h
Wellen als Teilchen: Compton-Effekt, Niedrig-Intensität- Doppelspalt-Beugung, Photoeffekt, Drehimpuls des Photons (Spin) und Parität
Teilchen als Wellen: de Broglie Wellenlänge, Doppelspaltexperiment mit massiven Teilchen;
Wahrscheinlichkeitsinterpretation der "Wellenfunktion"
Allgemeine Überleitung zur Quantenphysik
Heisenbergsches Mikroskop
Unschärferelation
Atom als Teilchen mit diskreten Übergängen (Franck-Hertz Versuch)