Sexl Physik 7, Schulbuch

2.6 Quantenobjekt: Polarisiertes Licht Als Konsequenz der Born’schen Wahrscheinlichkeitsdeutung der Wellenfunktion Ψ , die den Zustand der Quantenobjekte beschreibt, ergibt sich, dass der Wert einer physikalischen Größe erst bei der Messung festgelegt wird. Nur wenn wir ohne Störung dieselbe physikalische Größe mehrmals unmittelbar hintereinander mes- sen, erhalten wir dieselben Werte. Wenn wir jedoch dazwischen eine andere Größe messen, ändern wir den Zustand und damit die möglichen Messergebnisse. Ein kleines Experiment mit Licht und Polarisationsfiltern zeigt dies. ( 101.1 ) Experiment: Polarisiertes Licht 101.1 E 1 Du brauchst : Optische Bank, Laserpointer, 2 lineare Polarisationsfilter, Schirm oder/und Lichtsensor zur Computer unterstützten Messung der Lichtintensität a) Baue das Experiment wie in 101.1 auf, zunächst nur mit einem Polarisations- filter. Lass Laserlicht durch den Polarisationsfilter auf den Schirm/Sensor fallen. Beobachte die Intensität des Lichtflecks, während du den Filter verdrehst. Mar- kiere die Stellung maximaler Intensität als 0°. Welche Eigenschaft des Laserlichts führt zu dieser Beobachtung? b) Überzeuge dich mit dem zweiten parallel zum ersten Filter eingestellten Pola- risationsfilter, dass das Licht diesen Filter (praktisch) ungeschwächt passiert. c) Drehe den zweiten Filter um 90° und beschreibe deine Beobachtung. d) Drehe nun den ersten Filter schrittweise von der 0°-Stellung zur 90°-Stellung und protokolliere deine Beobachtung. Überzeuge dich, dass bei einem Winkel von 45° maximale Helligkeit eintritt, bei 0° und 90° wird kein Licht durchgelassen. Interpretation zu Beobachtung a): Laserlicht ist linear polarisiert, was mit dem Po- larisationsfilter nachgewiesen wird. Interpretation zu Beobachtung b): Zusätzliche parallel ausgerichtete Polarisations- filter schwächen das polarisierte Licht nicht. Die Farbe des Lichtflecks am Schirm bleibt bei jeder Filterstellung gleich, nur die Helligkeit ändert sich: Es treffen im- mer ganze Photonen auf den Schirm, nur ihre Anzahl ändert sich mit der Filter- stellung. Interpretation zu Beobachtung c): Wir haben mit dem ersten Filter den Lichtstrahl so präpariert , dass alle Photonen in einer genauen „scharfen“ Richtung schwingen (0°-Stellung). Ein normal zu dieser Richtung eingestellter Filter blockiert daher den Strahl. Interpretation zu Beobachtung d): Der polarisierte Lichtstrahl trifft auf einen um den Winkel α gedrehten Filter. Dieser hat wieder eine Durchlassrichtung und eine dazu normale Richtung. Die Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls lässt sich in Komponenten bezüglich dieser Richtungen zerlegen. Diese Komponenten sind die Wahrscheinlichkeitsamplituden dafür, dass die Photonen in einer dieser Richtungen polarisiert sind. Die Wahrscheinlichkeiten sind die Quadrate der Am- plituden. Bei α = 45° sind die Wahrscheinlichkeiten, dass Photonen durch den ge- drehten Filter durchgelassen bzw. blockiert werden, gleich groß. Der einfallende Lichtstrahl hat bezüglich der ausgezeichneten Richtungen des ge- drehten Filters keine „scharfen“ Eigenschaften. Erst am Filter entscheidet der Zu- fall, welche Photonen durchgelassen werden. Bezüglich der neuen Filterrichtung sind sie nun richtig polarisiert und würden weitere Filter mit derselben Stellung passieren. Treffen diese nun auf den letzten Filter in 90° -Stellung, wiederholt sich das Spiel. Wieder sind sie weder in Durchlass-, noch in Sperr-Richtung polarisiert. Wieder gibt es für jedes einzelne Photon nur eine Wahrscheinlichkeit, durchgelas- sen zu werden, wieder haben sie vor dem Durchlass keine scharfe Polarisations- richtung. 101.1 Polarisiertes Licht des Laserpointers (links) wird im ersten Filter um den Winkel α gedreht und kann daher den zur ursprüngli- chen Polarisationsrichtung normalen zweiten 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 4 101.2 Auf die Kombination von drei um je 45° gegeneinander gedrehte Polarisationsfilter F1, F2, F3 fällt von links unpolarisiertes Licht. In der gewählten Filtereinstellung wird ein Teil des Lichts durchgelassen. Filter F1 lässt nur Licht durch, das in einer Ebene schwingt. Entfernen wir F2 aus dem Strahlengang, wird kein Licht durchgelassen. (Bei Verwendung eines Lasers ist F1 Teil des Lasers, weil Laserlicht bereits polarisiert ist.) Bei jedem unter 45° gegen die Polarisations- richtung gedrehten Filter wird die Lichtintensi- tät halbiert. (Mehr dazu unter: physikplus. oebv.at) 101 | QUANTENPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv