Sexl Physik 8, Schulbuch

47 | 47.1 Polarisiertes Licht des Laserpointers (links) wird im ersten Filter um den Winkel α gedreht und kann daher das zur ursprüng- lichen Polarisationsrichtung normale zweite Filter passieren. Eine Messung der Intensität mit dem Lichtdetektor (rechts) ergibt eine sin 2 (2 α )-Abhängigkeit. F 1 F 2 F 3 45° 90° I 1 I 1 I 1 1 2 1 4 47.2 Drei um je 45° gegeneinander verdrehte Polarisationsfilter F 1 , F 2 , F 3 , lassen anfangs unpolarisiertes Licht durch. Filter F 1 lässt nur Licht durch, das in einer Ebene schwingt. Ent- fernen wir F 2 aus dem Strahlengang, wird kein Licht durchgelassen. (Bei Verwendung eines Lasers ist F 1 Teil des Lasers, wodurch Laserlicht bereits polarisiert ist.) Bei jedem unter 45 o ge- gen die Polaristionsrichtung gedrehten Filter wird die Lichtintensität halbiert. (Mehr dazu unter: physikplus.oebv.at) 3.6 Eigenschaften von Quantenobjekten: Polarisiertes Licht Eine wesentliche Aussage der Quantenphysik ist, dass gewisse physikalische Grö- ßen nicht gleichzeitig beliebig genau gemessen werden können. Dies wurde am Beispiel der Unschärferelation zwischen Ort und Impuls im vorigen Abschnitt ge- zeigt. Als Konsequenz der Born’schen Wahrscheinlichkeitsdeutung der Wellenfunktion Ψ , die den Zustand der Quantenobjekte beschreibt, ergibt sich, dass der Wert ei- ner physikalischen Größe erst bei der Messung festgelegt wird. Nur wenn wir ohne Störung dieselbe physikalische Größe mehrmals unmittelbar hintereinander messen, erhalten wir dieselben Werte. Jedoch wenn wir dazwischen eine andere Größe messen, ändern wir den Zustand und damit die möglichen Messergebnisse. Um dieses Verhalten von Quantenobjekten ansatzweise zu studieren, führen wir ein kleines Experiment mit Licht und Polarisationsfiltern durch. ( 47.1 ) (Für ein Freihandexperiment eignen sich Polaroidbrillen.) Experiment: Polarisiertes Licht 47.1 Lass Laserlicht durch ein lineares Polarisationsfilter auf einen Schirm fallen. Be- obachte die Intensität des Lichtflecks, während du das Filter verdrehst. Markiere die Stellung maximaler Intensität als 0°. Überzeuge dich mit einem weiteren parallel zum ersten Filter eingestellten Polarisationsfilter, dass das Licht dieses Filter (praktisch) un- geschwächt passiert. Ändert sich die Farbe? 47.2 Drehe das zweite Filter um 90° und beschreibe deine Beobachtung. 47.3 Drehe nun das erste Filter schrittweise von der 0°-Stellung zur 90°-Stellung und protokolliere deine Beobachtung. Überzeuge dich, dass bei einem Winkel von 45° maxi- male Helligkeit eintritt, bei 0° und 90° wird kein Licht durchgelassen. Interpretation zu Beobachtung 1: Laserlicht ist linear polarisiert, was mit dem Polarisationsfilter nachgewiesen wird. Zusätzliche parallel ausgerichtete Polari- sationsfilter schwächen das polarisierte Licht nicht. Die Farbe des Lichtflecks am Schirm bleibt bei jeder Filterstellung gleich, nur die Helligkeit ändert sich: Es tref- fen immer ganze Photonen auf den Schirm, nur ihre Anzahl ändert sich mit der Filterstellung. Interpretation zu Beobachtung 2: Licht besteht aus Photonen, bei linear polarisier- tem Licht ist die Polarisationsrichtung aller Photonen gleich. Im Modell der elekt- romagnetischen Wellen schwingt die elektrische Feldstärke in einer einheitlichen Ebene. Diese Ebene zeichnet normal zur Strahlrichtung eine Richtung aus (0°-Stel- lung), die Durchlassrichtung. Die Polarisation aller Photonen des Laserstrahls liegt in dieser Richtung. Ein normal zu dieser Richtung eingestelltes Filter blockiert da- her den Strahl. Wir haben mit dem ersten Filter den Lichtstrahl so präpariert , dass alle Photonen in einer genauen „scharfen“ Richtung schwingen. Interpretation zu Beobachtung 3: Der polarisierte Lichtstrahl trifft auf ein um den Winkel α gedrehtes Filter. Dieses zeichnet wieder eine Durchlassrichtung und eine dazu normale Richtung aus. Die Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls lässt sich in Komponenten bezüglich dieser Richtungen zerlegen. Diese Kompo- nenten sind die Wahrscheinlichkeitsamplituden dafür, dass die Photonen in einer dieser Richtungen polarisiert sind. Die Wahrscheinlichkeiten sind die Quadrate der Amplituden. Bei 45° sind die Wahrscheinlichkeiten, dass Photonen durch das verdrehte Filter durchgelassen bzw. blockiert werden, gleich groß. Der einfallen- de Lichtstrahl hat bezüglich der ausgezeichneten Richtungen des gedrehten Filters keine „scharfen“ Eigenschaften. Erst am Filter entscheidet sich, welche Photonen durchgelassen werden, also bezüglich der neuen Filterrichtung richtig polarisiert sind. Treffen diese nun auf das letzte Filter in 90°-Stellung, wiederholt sich das Spiel. Wieder sind sie weder in Durchlass-, noch in Sperr-Richtung polarisiert. Wieder gilt für jedes einzelne Photon nur eine Wahrscheinlichkeit, durchgelassen zu werden, wieder haben sie vor dem Durchlass keine scharfe Polarisationsrich- tung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv