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Maser

Maser

Der Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Mikrowellenverstärkung durch angeregte Strahlungsemission) ist die dem Laser entsprechende Strahlungsquelle für den Mikrowellenbereich. Ein Maser erzeugt kohärente elektromagnetische Wellen, die (heute) einen Frequenzbereich von 10⁵ Hz bis 10¹¹ Hz umfasst, entsprechend einem Wellenlängenbereich von Millimetern bis Kilometern. Derart große Wellenlängen sind mit Molekülschwingungen oder magnetischen Dipolübergängen in Atomen realisierbar. Er wird begründet durch stimulierte Emission in Zusammenhang mit einer Besetzungsinversion. Das bedeutet, dass mehr Atome oder Moleküle seines aktiven Mediums im oberen angeregten Energiezustand des betreffenden Strahlungsübergangs als im unteren Energiezustand sein müssen. Die Inversion ist eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht und muss durch geeignete Energiezufuhr, auch „Pumpen“ genannt, erreicht werden. Wichtiger Bestandteil eines Masers ist ein auf die Maserfrequenz abgestimmter Resonator. Das Hauptproblem beim Bau von Labormasern ist die Erzeugung der Besetzungsinversion. Die Grundidee des Masers (und auch des Lasers) wurde bereits 1951 von dem amerikanischen Physiker Charles H. Townes erkannt; zusammen mit James Gordon und Herbert Zeiger entwickelte er dann 1954 einen Ammoniak-Maser. Der Anstoß ging von technischen Forderungen aus, möglichst rauscharme Verstärker zu bauen; bis dahin gebräuchliche Verstärker wiesen aufgrund der Temperaturbewegung der Ladungsträger ein erhebliches Rauschen auf. Für den Maserübergang wird eine bestimmte Schwingung des Ammoniakmoleküls mit einer Wellenlänge von 12,7 mm genutzt, bei der das Stickstoffatom durch die von den drei Wasserstoffatomen aufgespannten Ebene hindurchschwingt. Für die Erzeugung der Besetzungsinversion wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Kräfte, die auf freie Atome oder Moleküle in inhomogenen elektrischen Feldern wirken, vom Dipolmoment der Teilchen abhängig sind. Ein Molekülstrahl tritt dabei durch eine Düse in eine Vakuumkammer ein und wird dort durch das inhomogene Feld so abgelenkt und aussortiert, dass nur noch diejenigen, die sich im gewünschten oberen Energieniveau befinden, den anschließenden Hohlraumresonator erreichen, der auf die Übergangsfrequenz der Teilchen abgestimmt ist. Mikrowellen-Resonatoren sind Hohlräume mit Metallwänden, deren Abmessungen mit der Wellenlänge der Strahlung vergleichbar sind. Ein Teil der Strahlung verlässt den Resonator und stellt die Ausgangsstrahlung des Masers. Der Rest verbleibt durch Reflexion im Hohlraum, so dass durch induzierte Emission erneut eine Strahlverstärkung stattfindet. Eine stehende elektromagnetische Eigenschwingung bildet sich in dem Hohlraumresonator aus. Wird eine ausreichende Menge angeregter Atome in den Resonator gebracht, so kann dieses System nicht nur verstärken, sondern auch selbst als Mikrowellenoszillator wirken. 1964 erhielt Townes zusammen mit den beiden sowjetischen Physikern Nikolay Bassow und Aleksandr Prochrow, die unabhängig von ihm die theoretischen Grundlagen für das Maser- und Laserprinzip geschaffen hatten, den Nobelpreis für Physik. Der Wasserstoff-Maser wurde im Jahr 1960 von dem amerikanischen Physiker Norman Ramsey und seinen Mitarbeitern entwickelt; im Jahr 1989 erhielt Ramsey für seine Arbeiten den Nobelpreis für Physik. Bei ihm wird als aktiver Maserübergang die Hyperfeinstruktur des atomaren Wasserstoff ausgenutzt. Zum Spin des Atomkerns – in diesem Fall dem Proton – kann sich das Hüllenelektron parallel oder antiparallel ausrichten. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht eine äußerst geringe Energiedifferenz (≈ 10^-5 eV), der eine Frequenz von 1,42 GHz (1 GHz = 10⁹ Hz) entspricht. Der Übergang ist auch aus der Radioastronomie als „21-cm-Linie“ als Nachweis für interstellaren Wasserstoff bekannt. Da in den Spiralarmen unserer Milchstraße große Mengen Wasserstoff vorhanden sind, trug diese Spektrallinie wesentlich zur Aufklärung ihrer Struktur bei. Auch bei diesem Gasmaser wird die Besetzungsumkehr durch Atomstrahlmethoden in inhomogenen Feldern (Zustands-Selektor) realisiert. Die angeregten, freien Wasserstoffatome gelangen dann in eine mit Teflon ausgekleidete „Speicherkugel“ aus Quarz. Die Speicherkammer ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben, der resonant auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Hyperstruktur-Zuständen abgestimmt ist, die von einem Mikrowellensender erzeugt wird. Die Strahlungsintensität der Mikrowellen wird durch induzierte Emission verstärkt. Wasserstoffmaser können über Jahre hinweg sehr stabil arbeiten. Die Speicherzeit für die einzelnen Atome beträgt etwa eine Sekunde und hat eine sehr große Frequenzgenauigkeit des Masers zur Folge; die Abweichung beträgt nur 1 Hz. Wasserstoffmaser dienen daher als hochgenaue Frequenznormale in Laboratorien und in Atomuhren. Ihre ausgezeichnete Frequenzstabilität erlaubt die Überprüfung von Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei denen winzige Zeitdifferenzen die entscheidende Rolle spielen. Wasserstoff-Maser werden in der Radioastronomie für die VLBI-Methode genutzt, bei der es um eine zeitgenaue Aufzeichnung von Empfangssignalen verschiedener, weit entfernt voneinander betriebener Teleskope ankommt. Auch bei der Auswertung von Radarmessungen zur Bestimmung der Kontinentaldrift oder astronomischen Entfernungsmessungen, bei denen sehr kleine Laufzeitunterschiede gemessen werden müssen, sind die genauen Zeitnormale der Wasserstoffmaser nicht mehr wegzudenken. Zu den neueren Entwicklungen gehört der Rydberg-Maser. Bei ihm werden wasserstoffähnliche Atome (Beispiel: Rubidium) als aktives Material genutzt, deren Elektronenstruktur nur ein einzelnes Valenzelektron in der äußersten Schale aufweist. Mit einem frequenzveränderlichen Farbstoff-Laser lassen sich diese einzelnen Außenelektronen auf sehr hohe, langlebige Energieniveaus nahe der Ionisationsgrenze pumpen. Das Herzstück des Masers ist ein auf die Temperatur flüssigen Heliums gekühlter zylindrischer Resonator, durch den der Strahl hochangeregter Atome dann geschickt wird. Maser-Oszillationen mit nur wenigen Kammeratomen können hier erreicht werden; im Extremfall befindet sich nur noch ein einziges angeregtes Atom in der Kammer. Dieser Fall wird beim „Ein-Atom-Maser“ realisiert. Dabei handelt es sich um eine nichtklassische Strahlungsquelle, bei der die ausgesandten Mikrowellen den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Ein gewöhnlicher Maser nutzt zwar einerseits zur Verstärkung seiner Strahlung die Tatsache, dass es in Atomen diskrete, also quantisierte Energieniveaus gibt. Andererseits verhält sich das austretende Strahlungsfeld, da es von mehreren Photonen statistisch erzeugt wird, klassisch, d.h. die Zahl der Photonen im Hohlraum schwankt um einen mittleren Wert. Die nichtklassische Strahlung des Ein-Atom-Masers besteht aus Photonen, die in einem gleichmäßige Abstand aus dem Hohlraum kommen. Interessant ist diese Eigenschaft vor allem für die Nachrichtenübertragung, so dass sich der Ein-Atom-Maser auch im Forschungsfeld des Quantencomputers nutzen lässt, insbesondere bei der Ansteuerung einzelner sowie miteinander korrelierter Ionen, die in speziellen Fallen aufbewahrt werden. Mit solchen nichtklassischen Strahlungsquellen lassen sich auch der Energieaustausch zwischen Strahlungsfeld und Atom sowie die Eigenschaften reiner Photonenfelder erforschen. In den letzten Jahren hat sich für die frequenzstabilen Maser ein weiteres Forschungsgebiet eröffnet, das in Zusammenhang mit Theorien steht, die Quantenmechanik und Gravitation zu vereinigen suchen (Stringtheorie, Loop-Quantengravitation). Eine der zu überprüfenden Aussagen sind zeitliche Veränderungen physikalischer Naturkonstanten wie beispielsweise der Lichtgeschwindigkeit.

Kosmische Maser

Maser erscheinen als künstliche Geräte, da die Besetzungsinversion, eine Bedingung für den Betrieb eines Masers, ein Zustand ist, der weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist und nur durch technische Tricks erreicht werden kann. So überraschte es, als in den 1960er Jahren mit Radioteleskopen Objekte im Kosmos entdeckt wurden, die natürliche Maserstrahlung aussenden. Die Entdeckung derartiger astronomischer Maser revolutionierte viele Erkenntnisse über unser Universum. Die frequenzscharfen Mikrowellen-Linien – vor allem die 18-cm-Linie des OH-Moleküls, aber auch die 1,35-cm-Linie des Wassermoleküls – geben Aufschluss über angeregte molekulare Gase um entstehende Sterne, über Veränderungen in Galaxien sowie über Hüllenprozesse in Roten Riesen und Überriesen. Allerdings sind die Pumpmechanismen dieser natürlichen Maser noch nicht restlos geklärt. In Frage kommen Anregungsprozesse durch Stöße mit interstellarem Staub oder optische Anregung durch die Strahlungsenergie benachbarter Sterne oder Infrarotquellen.

Anwendungen

- Wasserstoff-Maser werden in Atomuhren verwendet.
- GPS Satellit Block IIF ist mit einem Wasserstoff-Maser ausgestattet.
- Das Galileo-Projekt wird ebenfalls drei Wasserstoff-Maser als Atomzeituhren einsetzen.

Literatur

- J.P. Gordon, H.J. Zeiger, C.H. Townes, Phys. Rev. 95, 282 (1954)
- H. Haken, Phys Bl. 2, 109 (1965)
- R. Walsworth, Science 305, 236 (2004)
- G. Makhov et al., Phys. Rev. 109, 1399 (1958)
- N. F. Ramsey et al., Phys. Rev. Lett. 5, 361 (1960)
- P. Toschek, Phys. Bl. 12, 465 (1989)
- J. M. Raimond et al., Rev. Mod. Phys. 73, 565 (2001) Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Atomphysik Kategorie:Uhr

Emission (Physik)

Als Emission (von lat. emittere = aussenden) bezeichnet man in der Physik zumeist die Aussendung von sichtbarem Licht und anderen elektromagnetischen Wellen, oft auch allgemeiner die Aussendung von atomaren oder subatomaren Teilchen (insbesondere in der Kern- und Teilchenphysik). In der Akustik spricht man auch von Schallemissionen. Seltener ist in der Physik auch von Gas- und Staubemissionen die Rede (vor allem in der Astronomie und Umweltphysik).

Emission elektromagnetischer Wellen

Festkörper und freie Teilchen senden verschiedene Arten elektromagnetischer Wellen aus, wobei man sie nach ihrem Spektrum (im Optischen ihrer Farbe) und ihrer Entstehungsart klassifiziert. Zusätzlich unterscheidet man zwischen der spontanen Emission, die ohne äußere Einflüsse stattfindet, und der induzierten Emission, welche durch eingestrahlte elektromagnetische Wellen ausgelöst wird. Insbesondere Laserlicht wird durch induzierte Emission erzeugt.

Thermische Emission

Als Thermische Emission von Strahlung bezeichnet man das Aussenden eines kontinuierlichen Spektrums elektromagnetischer Wellen aufgrund der Wärmebewegung der Atome. Ihre Spektralverteilung hängt von der absoluten Temperatur und ihren Absorptionseigenschaften ab. Ein ideal schwarzer Körper, sendet ein Spektrum aus, dessen Intensitätsverteilung durch das Plancksche Gesetz beschrieben wird, welches in der Physik große Bedeutung bei vielen Vorgängen hat und der Ausgangspunkt Quantenmechanik war.

Emissionslinien

Emissionslinien, also klar definierte einzelne Spektrallinien, werden von Atomen beim Übergang eines Elektrons des Atoms von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau oder beim Einfang eines Elektrons durch ein Atom ausgesandt. Die Emissionslinien sind dabei charakteristisch für ein bestimmtes chemisches Element. Insbesondere in der Astronomie, die zum Großteil auf der Beobachtung des Lichts unerreichbar weit entfernter Objekte fußt, basiert ein Großteil des Wissens um unser Universum auf der Analyse der Spektrallinien. Exemplarisch hierfür sind die Entdeckung des Heliums (von griech. Helios für Sonne) anhand unerwarteter Linien im Spektrum der Sonne, welches man erst danach auch auf der Erde entdeckte - und die Entdeckung unerwarteter Spektrallinien in Planetarischen Nebeln welchen man erst einem hypothetischen Element namens Nebulium zuordnete, dann aber als sogenannte verbotene Übergänge bereits bekannter chemischer Elemente erkannte.

Radiowellen

Emission von Radiowellen tritt vor allem dort auf, wo elektrische Wechselströme fließen (bspw. in Sendeantennen von Funk- und Radiostationen), da beschleunigte elektrisch geladene Teilchen elektromagnetische Wellen aussenden.

Synchrotronstrahlung

Emission von Synchrotronstrahlung kann überall dort beobachtet werden, wo bewegte elektrisch geladene Teilchen in magnetischen Feldern abgelenkt werden. Ihre Wellenlänge hängt dabei von der Geschwindigkeit der Teilchen und der Stärke des Magnetfelds ab.

Schallemission

Schall wird von schwingenden Körpern ausgesandt und kann sich nur in Medien (gasförmig, flüssig, fest; siehe Aggregatzustände) ausbreiten.

Emission von Teilchen

Radioaktiver Zerfall

Beim radioaktiven Zerfall kann man neben Gammaquanten die Emission von Elektronen (Betastrahlen), Heliumkernen (Alphastrahlen), Positronen, Neutronen und Neutrinos beobachten.

Teilchenschauer

Beim Stoß sehr schneller Teilchen aufeinander oder auf einen ruhenden Körper, werden diese zertrümmert und die Spaltprodukte und in Teilchen umgewandelte Gammaquanten, so genannte Sekundärteilchen in Form eines Teilchenschauers emittiert. Insbesondere in Speicherringen, wie dem DESY in Hamburg und beim Stoß Kosmischer Strahlen auf die Erdatmosphäre kann man diese beobachten.

Gas- und Staubemission

Von Gas- und Staubemission spricht man überall dort, wo Gase und feiner Staub ausgesandt werden. Besonders schöne Beispiele von Gas- und Staubemissionen aus der Astronomie sind die Schweife von Kometen und die Planetarischen Nebel sterbender Sterne.

Siehe auch

- Absorption (Physik)
- Immission Kategorie:Physik

Laser

Laser [] ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung). Der Begriff wurde 1957 von Gordon Gould geprägt. Die Bezeichnung des quantenmechanischen Verstärkungsprinzips wurde auf darauf basierende Geräte übertragen, dennoch wird nicht jede Lichtquelle, die dieses Verfahren benutzt als Laser bezeichnet. Das Laserprinzip ist eine kohärente Verstärkung, bei der die Lichtenergie erhöht wird bei gleichzeitigem Beibehalten der Frequenz, der Richtung, Polarisation und Phase des Ursprungsstrahls (bzw. des Ursprungphotons). Diese herausragende Eigenschaft bildet die Basis für die Photonik und den Einsatz des Lichts als Werkzeug. Laser-Geräte können selbst unterschiedliche Eigenschaften des Lichtes in hoher Reinheit erzeugen, dazu zählen auch vollkommen gegensätzliche. Große räumliche, bzw. transversale Kohärenz wird in Resonatoren erzeugt, wodurch sich Laserlicht besonders gut zu einem gebündelten Laserstrahl fokussieren oder auch zu einem parallelen Strahl kollimieren lässt. Aufgrund schmalbandiger stimulierter Emission und Selektion einzelner Resonatormoden lassen sich extrem schmalbandige Spektren hoher Intensität aussenden, was einem fast monochromatischem (einfarbigem) Licht und auch einer sehr großen zeitlichen Kohärenz und entspricht. Die Verkopplung von Lasermoden durch externe Steuerung oder nichtlineare Effekte wiederum ermöglicht extrem kurze Lichtimpulse im Femtosekundenbereich und damit sehr kurzer Kohärenzlängen, bzw. einem extrem breitbandigem Spektrum gleichbleibender Güte aber konstanter spektraler Phase. Über nichtlineare Effekte kann sogar die absolute Phase des elektromagnetischen Feldes gemessen und stabilisiert werden.

Geschichte

Albert Einstein beschrieb in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts die stimulierte Emission als Umkehrung der Absorption. Danach wurde lange gerätselt ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden konnte, da zum Erreichen der Verstärkung eine Besetzungszahlinversion eintreten mußte. Diese ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen und Rechnungen ergaben eine Stabilität für Strahlung im Mikrowellenbereich. Daraus folgte der Maser, der Mikrowellenstrahlung aussendet. Der erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman gebaut und am 26. Mai fertig gestellt . Die weitere Entwicklung gehörten zunächst den Gaslasern und danach den Farbstofflasern. Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z.B. der Titan-Saphirlaser läuteten in den 80er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulslängen von Pico- und Femtosekunden ein. In den späten 80ern ermöglichte die Halbleitertechnologie immer langlebigere, hocheffektive Halbleiterlaserdioden, die sukzessive teure und effektive Blitzlichtlampentechnologien ersetzten oder sogar direkt in Konsumelektronik oder in Glasfaserleitungen eingebaut wurden. In den 90er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheiben- und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende zunehmend Anwendungen aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechnologien, um Hochleistunggaslaser in einer kompakteren, effektiveren Form zu ersetzen. Zu Beginn des dritten Jahrtausends werden nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen (damit lassen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen). Andererseits erreichten erste blaue Laserdioden die Marktreife. Inzwischen ist der Laser zu einem unsichtbaren, aber unersetzbaren Instrument der Gesellschaft geworden.

Wirkungsprinzip

Faserlaser Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atoms, Moleküls oder Kristalls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei die Energiedifferenz in Form eines Lichtteilchens (Photon) abgegeben wird. Der entgegengesetzte Vorgang ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird. Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang durch spontane Emission, das heißt sowohl der Zeitpunkt als auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission: Ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind: Lichtverstärkung. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau anhebt, ist genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Elektronen im höheren Niveau liegen als im Niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption. Diesen Zustand nennt man Besetzungsinversion. In einem technischen Laser wird das Licht durch eine Anordnung zweier Spiegel immer wieder durch das Gebiet, in dem Besetzungsinversion (im aktiven Medium z. B. "Nd:YAG-Kristall" oder "

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-Gas") herrscht, geleitet. Eine solche Anordnung nennt man optischen Resonator (lat. resonare= zurücksingen, hallen). Im Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln immer weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die immer stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (im Promillebereich) durchlässig, um Licht aus dem Laser auskoppeln zu können. Die Leistung innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als die ausgekoppelte Leistung. Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Diodenlasern bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden Lasern mit externer Verstärkung. Die Energie, welche benötigt wird, um die Elektronen in die angeregten Zustände zu versetzen, muss dem System von außen zugeführt werden. Dieser Prozess wird als Pumpen bezeichnet. Es kann elektrisch in Form einer Gasentladung, durch Injektion von Ladungsträgern beim Halbleiterlaser oder optisch durch das Licht einer Blitzlampe oder eines anderen Lasers stattfinden.

Eigenschaften von Laserstrahlung

Die Strahleigenschaften eines Laserstrahles sind durch die Resonatoreigenschaften der umgebenden Optik bedingt. Da bei den meisten Lasern stabile Resonatoren eingesetzt werden, die räumlich kohärente Strahlung aussenden, kann durch Bündelung (Fokussierung) eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreicht werden als bei gewöhnlichen Lichtquellen (z.B. Bogenlampen). Diesen Effekt macht man sich in der Holografie zu nutze. Wegen der guten Strahlqualität der meisten Laserquellen lässt sich ein Laserstrahl im Vergleich zu anderen Lichtstrahlen über große Entfernungen im freien Raum aussenden, wobei sein Durchmesser relativ wenig zunimmt. Die Polarisation von Laserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im Resonator (Umlenkspiegel, schräge Flächen (Brewster-Fenster), geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meist linear. Laserlicht von ungepulsten, Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist häufig sehr schmalbandig und nahezu monochrom (einfarbig), d. h. es besteht aus nur einer Wellenlänge. Insbesondere ist Dauerstrich-Laserlicht aus stabilen Laserresonatoren aufgrund des Vielfachumlaufes zeitlich, beziehungsweise longitudinal (entlang seiner Ausbreitungsrichtung) kohärent, was bedeutet, dass die ausgesandten Wellenzüge nicht nur mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch in die Phase über einen langen Zeitraum konstant halten. Dadurch zeigt ein solches Licht besondere ausgeprägte Interferenzerscheinungen, was man sich z. B. in der Längenmessung zu nutze macht. Im Gegensatz zum Dauerstrich-Laser erzeugt ein gepulster Laser Strahlung mit einer größeren Frequenz-Bandbreite. Je kürzer die Impulsdauer, desto breiter ist das erzeugte Spektrum. Die geringsten erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femto und Attosekunden (siehe auch: Femtosekunden-Laser). Bei derart kurzen Pulsen (Länge des Strahlungspaketes <30 µm, also ein Bruchteil einer Haarbreite) spielt bereits die ausreichende Breitbandigkeit des verstärkenden Lasermediums eine Rolle. Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt bei Modenkopplung (mode locking, einer Bedingung zur Erzeugung stabiler kurzer Pulse) von der Resonatorlänge ab. Bei einem Resonator mit einer Umlauflänge von einem Meter beträgt diese etwa 300 MHz. Aus diesen Pulsfolgen werden oft einzelne Pulse mittels optischer Schalter herausgeschnitten und weiterverstärkt. Mit einigen weiteren Tricks gelingt es damit instantane Leistungen bis in den Terawatt-Bereich zu erzeugen, die auf wenige Quadratmikrometer fokussiert werden können. Neben der Modenkopplung sind die Gütemodulation (Q-switching) und das cavity-dumping weitere wichtige Techniken zu Erzeugung kurzer und energiereicher Laserpulse. Mit Lasern ist es gelungen, Licht in hohem Grade zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase, Zeit).

Verschiedene aktive Medien von Lasern

Gaslaser

Gaslaser Laser bei denen das aktive Medium gasförmig ist. Zumeist werden Gaslaser elektrisch durch eine Gasentladung im Medium gepumpt.
- Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser): Wichtigste Emissionswellenlänge bei 632,8 nm (rot).
- Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser): etwa 10,6 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), wichtiger Industrielaser
- Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser): etwa 6-8 μm Wellenlänge (mittleres infrarot), funktioniert nur gekühlt
- Stickstofflaser (N₂-Laser): 337,1 nm (ultraviolett)
- Argon-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 457,9 nm (8%), 476,5 nm (12%), 488,0 nm (20%), 496,5 nm (12%), 501,7 nm (5%), 514,5 nm (43%) (blau bis grün)
- Helium-Cadmium-Laser (HeCd-Laser): wichtigste Laserquelle für blau (442nm) und nahes UV (325nm)
- Krypton-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 350,7nm; 356,4nm; 476,2nm; 482,5nm; 520,6nm; 530,9nm; 586,2nm; 647,1nm (stärkste Linie); 676,4nm; 752,5nm; 799,3nm (blau bis tiefrot)
- Sauerstoff-Ionen-Laser
- Xenon-Ionen-Laser
- Mischgas-Laser, enthalten keine reinen Gase, sondern eine Mischung verschiedener (meist Argon und Krypton)
- Excimerlaser, z. B. KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F₂ (157 nm) (alles ultraviolett)
- Metalldampflaser, z. B. Kupferdampflaser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferdampflaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.
- Metallhalogenid-Laser, z.B. Kupferbromid-Laser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferbromidlaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden. Eine Sonderform sind die chemisch gepumpten Laser. Hier erfolgt das Pumpen durch eine chemische Reaktion im Medium. Dieses Medium ist nach der Reaktion verbraucht und kann dementsprechend nur einmal verwendet werden. Ideal für transportable Hochleistungsanwendungen vor allen im militärischen Bereich.
- HCl-Laser
- Iod-Laser

Farbstofflaser

Bei diesem Laser Typ ist ein organischer Farbstoff in alkoholischer Lösung (oft Methanol oder Ethanol) das aktive Medium. Die Farbstofflösung wird dabei ständig umgepumpt, um ein Ausbleichen (photochemische Degeneration) zu vermeiden. Beispiel für Farbstoffe: Stilben, Coumarin, Rhodamin, LDS (Farbstoff), DCM für unterschiedliche Wellenlängen Farbstofflaser werden im allgemeinen durch andere Laser gepumpt. Dabei nimmt man einen Leistungsverlust durch den endlichen Wirkungsgrad des Farbstofflasers in kauf um andere Wellenlängen zu erzeugen. Gepumpt werden kann sowohl kontinuierlich (kurz cw für engl. continuous wave) als auch gepulst.

Festkörperlaser

Der Festkörperlaser war der erste Laser, entwickelt vom Maiman im Jahre 1960: Rubinlaser. Ein Trägerkristall wird mit Ionen eines fremden Stoffes dotiert. Diese Ionen sind das eigentliche aktive Medium. Die Laserübergänge der Ionen sind innerhalb des d-Orbitals. Diese Orbitale sind nicht an chemischen Bindungen beteiligt. Das Trägermaterial (Kristall, Glas) nimmt daher nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften der Ionen. Beispiele für Trägermaterialien sind:
- Glas
- Vorteil : einfache Herstellung auch in großen Dimensionen
- Nachteil: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Festigkeit
- Al2O3 (Korund) (z.b. Rubin, Ti:Saphir-Laser)
- Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit
- Nachteil: relativ hohe Absorption, teuer
- YAG (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser)
- Vorteil : hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, geringe Absorption
- Nachteil: teuer Beispiele für Dotierungsmaterialien sind:
- Chrom war das Dotierungsmaterial des ersten Lasers des Rubinlaser (694,3 nm (rot)) Aufgrund der geringen Effizenz heute kaum noch verwendet.
- Neodym: Der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser: Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (infrarot), beziehungsweise frequenzverdoppelt bei 532 nm (grün). Auch möglich sind: Nd:Glas, Nd:YLF ...
- Ytterbium erlaubt im Laserbetrieb einen hohen Wirkungsgrad >50%. Es bedarf dazu allerdings eines schmalbandigen Pumpens mit Laserdioden (940nm). Das wichtigste Material mit dieser Dotierung ist der Yb:YAG-Laser, z.B. hochdotiert als Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030nm.
- Titan Ein wichtiger modengekoppelter Festkörperlaser: Ti:Saphir-Laser, 670-1100 nm (rot-infrarot), aufgrund breitbandiger Verstärkung für Pulse im fs-Bereich geeignet Verschiedene Formen des aktiven Mediums:
- Stablaser
- Mikrokristalllaser
- Slablaser
- Faserlaser
- Scheibenlaser

Farbzentrenlaser

Wie bei dem Festkörperlaser handelt es sich bei dem Farbzentrenlaser um einen Laser bei dem Defekte (Fremdionen, Gitterfehler, Ladungen) in einem Trägerkristall eingebettet sind. Die Laserübergänge bei dem Farbzentrenlaser werden aber durch die Wechselwirkung der Störstellen mit dem Gitter erzeugt. Beispiele:
- eine Lithium Fehlstelle in Lithiumfluorid
- Natriumchlorid

Halbleiterlaser

Bei dem Halbleiterlaser werden Übergänge im Halbleiter zur Besetzungsinversion verwendet. Laserdioden sind direkt elektrisch gepumpte Laser. Die Leistung von Laserdioden mit guter Strahlqualität (M²<1,5) beträgt weniger als ein Watt. Multimode Dioden erreichen bei schlechterer Strahlqualität (1,5<M²<100) Leistungen bis 10W. Mehrere Einzeldioden können in einem schmalen Chip (ca. 0,1 x 1 x 10 mm) nebeneinander integriert sein. Diese sogenannten Barren liefern, auf eine Wärmesenke montiert, bis ca. 50 Watt (Barren mit mehreren hundert Watt Ausgangsleistung sind in der Entwicklung, Stand Sep.2005). Die Einzeldioden sind dabei elektrisch parallel geschaltet. Den montierten Barren nennt man auch "submount". Durch Kopplung vieler solcher Barren bzw. submounts in einem sogenannten stack (Stapel) werden Leistungen im kW-Bereich bei entsprechend schlechter Strahlqualität erreicht (M²>100). Bis zu 6 Stapel kann man durch verschiedene Wellenlängen (üblich bis 3) und Polarisationsrichtungen verlustarm ohne Verschlechterung der Strahlqualität optisch addieren. Damit erreicht man Leistungen im zweistelligen kW-Bereich. Bei den optischen Pumpen von anderen Lasern durch Laserdioden muss die Pumpwellenlänge exakt getroffen werden. So ist in diesem Fall nur die Polarisationskopplung möglich. Weitere Halbleiterlaser sind:
- Optisch gepumpte Halbleiterlaser, auch Halbleiter-Scheibenlaser
- Quantenkaskadenlaser
- Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)
- Abstimmbarer Laser (Tunable Laser Source, TLS) mit veränderbarer Wellenlänge

Freie-Elektronen-Laser (FEL)

Bei Freie-Elektronen-Lasern fungiert ein hochenergetischer Elektronenstrahl als aktives Medium. Dieser Elektronenstrahl wird durch einen Undulator, der aus Magneten besteht, die längs der Strahlrichtung so angeordnet sind, dass das Magnetfeld seine Richtung längs des Weges periodisch ändert (zeitlich ist es hingegen konstant), gelenkt. Dadurch schwingen die Elektronen mit einer bestimmten Frequenz, während sie den Undulator passieren, und geben elektromagnetische Strahlung ab. In Vorwärtsrichtung ist diese elektromagnetische Strahlung durch die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls stark blauverschoben. Durch Spiegel, die wie bei anderen Lasern angeordnet sind, können bestimmte Frequenzen konstruktiv interferieren; dadurch kommt es zu größeren Intensitäten bei diesen Frequenzen, was wiederum zur stimulierten Lichtemission der Elektronen führt. Für Laser mit größeren Wellenlängen gibt es elektronentransparente Spiegel, die aus einem Drahtgitter bestehen, wobei der Drahtabstand wesentlich kleiner ist als die Laserwellenlänge; elektronentransparente Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja im Undulator parallel zur Laserstrahlung verläuft. Der Elektronenstrahl, der nach dem Undulator nicht viel Energie verloren hat, wird oft auf eine Anode gelenkt und die Energie geht als Wärme verloren. Die Energie des Elektronenstrahls kann auch zurückgewonnen werden, was die Effizienz des Systems erhöht. Die Laserwellenlänge kann bei freien Elektronenlasern kontinuierlich verändert werden, indem Spiegelabstand und Elektronenenergie verändert werden. Die Effizienz dieses Lasertyps kann relativ hoch sein. Man hofft, in Zukunft freie Elektronenlaser bauen zu können, die elektromagnetische Strahlung im Röntgen- oder sogar Gammabereich emittieren.

Resonatoren

Laserresonatoren werden bei fast allen Lasergeräten verwendet um das optisch aktive Medium (Verstärkungsmedium) nicht über einen sehr weit gestreckten Bereich ausdehnen zu müssen und so die Pumpeffizienz zu erhöhen. Stabile Resonatoren beeinflussen darüber hinaus die Strahlqualität und die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls.

Anwendungen von Lasern

Werkstofftechnik

Laser lassen sich in allen Bereichen der Fertigungstechnik nach DIN 8580 für verschiedene Fertigungsverfahren einsetzen:
- Urformen: Rapid Prototyping-Verfahren wie Laserstrahlsintern oder Stereolithographie
- Umformen: Laserstrahlbiegen von Metallen
- Trennen: Laserschneiden verschiedenster Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier, Metalle
- Bohren: Mikro-Bohrungen ("Trepanieren") (für Effusionskühlung) in Turbinenschaufeln
- Abtragen: Beseitigen von Material durch Schmelzen, Verdampfen oder bis zum Plasma erhitzen; oder auch photochemischer Abbau von Substanzen (laser ablation)
- Fügen: Laserstrahlschweißen und -löten sowohl im Makrobereich wie der Automobilindustrie oder im Schiffbau, aber auch im Mikrobereich wie der Elektronikfertigung. Neben Metallen können auch viele andere Werkstoffe wie Kunststoffe, Gläser, Silizium gefügt werden.
- Beschichten: Laserstrahlpulverbeschichten und Pulsed Laser Deposition
- Stoffeigenschaften ändern: Laserstrahlhärten
- Laserunterstütztes Biegen: Erhöhte Bruchdehnung durch vorherige Behandlung mit Laser
- In der Mikroelektronik erfolgt der Abgleich von Widerständen durch Lasertrimmen
- Laserauftragschweißen: Reparaturverfahren durch Aufschmelzen Einschweißen von Metallpulver

Medizin

- In der Allgemeinmedizin wird der Laser hauptsächlich in der Diagnose eingesetzt, z.B. bei der Messung von Blutstrom und -zirkulation. Weiterhin ist er im Bereich Laser-Akupunktur im Einsatz.
- In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen Kohärenztomografie (OCT). In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden. Außerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von Hornhaut beziehungsweise Material der Augenlinse korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation).
- In der Chirurgie, Gefäßchirurgie und Phlebologie wird der Laser hauptsächlich im Bereich Endoskopie oder als Laserskalpell eingesetzt. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung von defekten Venen (Krampfadern). Hierbei kann der Laser endovenös (Laser-Lichtleiter wird in die Vene eingebracht) angewendet werden. Dieses Laser-Behandlungsverfahren ersetzt dabei das Entfernen der Vene durch "Stripping-Operation". Die Laser-Behandlung ist in vielen Fällen schonender und ambulant durchführbar.
- In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen. Manche Hautkrankheiten werden mittels subcutaner Erwärmung behandelt. Ebenso gibt es unterschiedliche Diagnosetechniken der Kofokale Mikroskopie, sowie der optischen Kohärenztomografie (OCT).
- In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen, oder für Zahnweißung verwendet werden.
- In der Krebstherapie wird er für die photodynamische Therapie eingesetzt.
- In der Urologie zur Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen und der Prostata.
- Noch in der Forschung befindliche Techniken betreffen u.a. die Versuche, Nerven unter Einsatz von Laserlicht zielgerichtet wachsen zu lassen.

Messtechnik

Eine Reihe von Messgeräten sind auf Laserbasis konstruiert...
- Durch Interferenzen oder das Kohärenzradar sind Präzisionsmessungen möglich.
- Beim Tunnelbau kann durch Laserstrahlen ein gerader Tunnelvortrieb erreicht werden.
- Im Bauwesen wird er zum Nivellieren genutzt.
- In der Verkehrsüberwachung werden Laserpistolen von der Polizei (Exekutive) zur Geschwindigkeitsmessung von Kraftfahrzeugen verwendet.
- In Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten von Barcodes verwendet. Dabei wird der Strahl über ein Spiegelrad gleichmäßig über den Barcode linienförmig geführt. Der reflektierte Strahl wird über einen Fototransistor als hell-dunkel Sequenz ausgewertet.
- In Brandmeldern ("Lasermelder")
- Schwingungsanalyse und Formerfassung durch elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI)
- Lasermikrofon
- Lidar: Lidar steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") verwandte Methode zur Fernmessung atmosphärischer Parameter.
- Laser-Doppler-Anemometer zur berührungsfreien Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten.
- Laser-Lichtschnittsensor zur Messung von Höhenprofilen entlang einer Linie.

Wissenschaft

- Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
- Spektroskopie:
- Vermessung atomarer Energieniveaus (Atomspektroskopie)
- In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
- Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulsen im Pikosekunden-Bereich, z.B. zeitlicher Ablauf von chemischen Reaktionen
- Nichtlineare Optik: z. B. Frequenzkonversion
- Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe des Lichtmikroskopes umgehen.
- In der Zellbiologie als Optische Pinzette
- Laserkühlung und Atom- bzw. Ionenfallen
- Nachweis von Gravitationswellen mittels besonders großer Laserinterferometer.
- Bestimmung von Windgeschwindigkeiten und/oder Teilchenkonzentration in der Erdatmosphäre.

Laserbeschriftung

- Beschriften und Markieren: Beschriften mit Laser. Papier, Pappe, Holz, Glas, Leder, Kunststoffe, Metalle. Farbabtrag von beschichteten Gegenständen; Farbumschlag auf Kunststoffen, Anlassbeschriftung auf Metall, leichte Gravur auf verschiedenen Materialien.

Holographie

- Als Kunstobjekte
- Zur Datenspeicherung
- Als Messverfahren
- Zur Bildspeicherung

Datentechnik

- Datenspeicherung, z. B. CD-ROM, DVD
- Datenübertragung, z. B. mit Glasfasern
- Datenfernübertragung, Laser-WLAN, siehe auch Optischer Richtfunk
- Laserdrucker

Militärtechnik

- Markierung von Zielen für selbststeuernde Waffen
- Entfernungsmessung mittels der Lasermesseinheit für z. B. Panzer
- erste Versuche von Lasergewehren die den Gegner z. B. erblinden lassen
- Hochenergielaser auf Flugzeugen (Boeing AL-1) und Schiffen zur Raketenabwehr
- projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern

Sonstiges / Unterhaltung

- Laserpointer
- Disco, Bühnenshows (siehe Lasershow)
- RGB-Systeme, Vorteil: intensive Farben durch schmalbandiges Laserlicht, HDTV-Farbraum und sehr große Schärfentiefe durch hohe Brillianz der Laserstrahlen (Schärfentiefe ist nicht unendlich, sondern bestenfalls Beugungsbegrenzt)
- im Planetarium ZULIP (Einzelbild) von der Jenoptik LDT GmbH
- ADLIP (Ausleuchtung der gesamten Kuppel) ebenfalls von der Jenoptik LDT GmbH ; Das Planetarium in Peking bietet als erstes ein solches Ganzkuppel-Lasersystem.
- Laserguided AGV Spurführung für Fahrerlose Transportsysteme

Laser-Klassen

Lasergeräte werden entsprechend der biologischen Wirkung von Laserstrahlung in Klassen eingeteilt. Maßgeblich für die nationalen und internationalen Laserklassen ist dabei die Definition von Grenzwerten, bei denen keine Schädigung zu erwarten ist. Neben der amerikanischen ANSI-norm gibt die [http://www.icnirp.de/|International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection] Grenzwerte heraus [http://www.icnirp.de/documents/laser400nm+.pdf|Grenzwerte im Spektralbereich zwischen 400 und 1400nm]. Primär wird dabei die thermische Leitung und der Grenze bei der nichtionisierenden Strahlung gezogen. Durch die optischen Fokussiereigenschaften des Auges ist die Gefährlichkeit im sichtbaren Spektrum erhöht. Im nichtsichtbaren Bereich gibt es einen angrenzenden Bereich in dem das Auge noch immer gut fokussiert und transparent ist.

Klassifizierung nach DIN EN 60825-1

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDI 0837 (siehe unten) darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden)

- ) Anmerkung zu Laserklasse 2 und 2M: Durch wissenschaftliche Untersuchungen (FH Köln) wurde festgestellt, dass der Lidschlussreflex (dieser tritt im übrigen innerhalb 0,25 s auf; eine längere Bestrahlung schädigt das Auge) nur bei <20 % der Testpersonen gegeben war. Von dem Vorhandensein des Lidschlussreflexes zum Schutz der Augen darf somit in der Regel nicht ausgegangen werden. Daher sollte man, falls Laserstrahlung der Klasse 2 oder 2M ins Auge trifft, bewusst die Augen schließen oder sich sofort abwenden. Des weiteren ist zu beachten, dass der Lidschlussreflex nur bei sichtbarem Licht erfolgt. Laserstrahlung im Infrarotbereich z.B. führt nicht zu einem Lidschluss, da die Strahlung vom Auge nicht wahrgenommen wird. Deshalb ist ein besonders vorsichtiger Umgang mit unsichtbarer Laserstrahlung anzuraten.

Klassifizierung nach DIN VDI 0837

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDI 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den USA gebräuchlich.

Literatur

- William T. Silfvast: Laser Fundamentals 2. Auflage. Verlag Cambridge University Press, 2004, ISBN 0-521-83345-0

Siehe auch

- Laserkreisel
- Maser
- Laserpointer
- REMPI-TOF
- Laserschneiden
- Röntgenlaser

Weblinks

- [http://www.repairfaq.org/sam/lasersam.htm Sam's Laser FAQ] (englisch)
- [http://www.rp-photonics.com/encyclopedia_de.html Enzyklopädie der Laserphysik und Lasertechnologie ] (größtenteils englisch)
- Interaktive Darstellung von [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Absorption, Emission und stimulierter Emission] (Java-Applet)
- Interaktive Darstellung des [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/laserPrinzip Laserprinzips] (Java-Applet)
- [http://www.laser.alhin.de Laserdatenbank und Linkssamlung aus dem Bereich Lasertechnik] (deutsch)
- [http://www-hasylab.desy.de/facility/fel/ Freie Elektronen Laser am Desy in Hamburg]
- Laser in der Dermatologie [http://www.ddl.de/ Deutsche Dermatologische Lasergesellschaft DDL e.V.] Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ! ja:レーザー ko:레이저

Mikrowellen

Der Begriff Mikrowellen fasst die Dezi-, Zenti- und Millimeterwellen zusammen. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge zwischen 1 mm und 1 m liegt, was einem Frequenzbereich von 0,3 GHz bis 300 GHz entspricht. Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satelliten-Fernsehen, WLan) oder Sensorsystemen zum Einsatz. Für andere technische Anwendungen sind die Frequenzen ca. 800 MHz, 2,45 GHz und etwa 13 GHz freigegeben; der bekannte Mikrowellenofen arbeitet bei 2,45 GHz. Aufgrund ihres Frequenzspektrums sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Obwohl die Resonanzfrequenz des Wassermoleküls bei 18 GHz liegt, kann es mit einem üblichen Mikrowellenofen (2,45 GHz) gut angeregt werden, was eine hohe Absorption der Mikrowellenstrahlung durch das Wassermolekül zur Folge hat. Die absorbierte Energie wird in Form von Wärme abgegeben. Die Dielektrizitätskonstante beschreibt die frequenzabhängigen Absorptionseigenschaften von Stoffen, und somit deren Erwärmung. Da es sich bei der Mikrowellenstrahlung um elektromagnetische Strahlung handelt, gehorcht sie wie das Licht den Maxwellgleichungen. Dies hat zur Folge, das sie ebenfalls reflektiert und gebrochen wird und interferieren kann. Sie wird von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Geeignete Isolatoren (z. B. einige Thermoplaste, insbesondere PTFE (Teflon), Glas, viele Keramiken, Glimmer) sind jedoch durchlässig für diese Strahlung und absorbieren sie nur wenig - daher können z. B. optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden. Oberhalb von etwa 1 GHz können Mikrowellen nicht bzw. kaum in einem elektrischem Leiter transportiert werden, da hier die Reflexionseigenschaften des Metalls zu stark werden. Stattdessen kommen hier Hohlleiter zum Einsatz. Mikrowellen sehr hoher Leistung können durch Laufzeit-Röhren Klystrons oder Magnetrons erzeugt werden; letztere werden auch in Mikrowellenherden verwendet. Sehr gut absorbiert werden Mikrowellen durch Ferrite. Manche militärische Flugzeuge schützen sich mit einer entsprechenden Beschichtung auf diese Weise vor dem Aufspüren durch Radar (Stealth-Technologie).

Literatur

- Klaus-Peter Möllmann, Michael Vollmer: Kochen mit Zentimeterwellen: Die Physik der Haushaltsmikrowelle. Physik in unserer Zeit 35(1), S. 38 – 44 (2004), ISSN 0031-9252 Kategorie:Funktechnik Kategorie:Elektrodynamik ja:マイクロ波

Kohärenz (Physik)

Kohärenz (von lat. cohaerere = zusammenhängen) ist die Fähigkeit unterschiedlicher Wellen, stationäre Interferenzerscheinungen hervorzurufen. Zwei oder mehrere Wellen sind genau dann kohärent, wenn sie zeitlich unveränderliche Interferenzerscheinungen erzeugen können. Notwendige Voraussetzung für die Kohärenz zweier Wellen ist, dass sie eine zeitlich unveränderliche Phasendifferenz aufweisen. Die Ausbreitung und Wechselwirkung von Wellen wird durch die homogene Wellengleichung beschrieben. Sie lautet:

\Delta  f(r,t)- \frac\frac=0

\Delta

ist der Laplace-Operator f ist die Amplitude der Welle am Ort r zum Zeitpunkt t c ist die Phasengeschwindigkeit der Welle Ist

f(\phi)

eine zweimal differenzierbare Funktion von

\phi

, so sind die folgenden Funktionen Lösungen der Wellengleichung: 1.

f_-(r,t)=(f(kr-wt)

f_+(r,t)=(f(kr+wt)

Dies gilt nur, wenn w=c
- k gilt. Die Funktionen

\phi_-=kr-wt

oder

\phi_+=kr+wt

stellen jeweils die Phase der Wellenfunktion dar. Jede beliebige Linearkombination der Wellenfunktionen stellt ebenfalls eine Lösung der Wellengleichung dar. Eine stationäre Überlagerung zweier beliebiger Wellen

f_1(\phi)

und

f_2(\phi)

tritt nur dann auf, wenn an einem beliebigen Ort r gilt

\frac(f_1(\varphi)+f_2(\varphi))=0

Dies ist offenbar im Allgemeinen nur dann erfüllt, wenn

f_1(\phi)+f_2(\phi + \Delta\phi )= K

gilt, wobei

\Delta\phi

eine konstante Phasenverschiebung darstellt. Der Amplitudenverlauf der beiden Wellen f1 und f2 muss bis auf eine feste Phasenverschiebung identisch sein, damit die Überlagerung beider Wellen zu einer stationären Interferenzerscheinung führt. Nur dann sind die Wellen kohärent. Eine feste Phasenbeziehung ist eine notwendige aber keine hinreichende Voraussetzung dafür, dass zwei unterschiedliche Wellen miteinander interferieren. Zwei räumlich begrenzte Wellenzüge können nur dann miteinander interferieren, wenn sie zu irgendeinem Zeitpunkt aufeinandertreffen. Für die Intereferenz notwendige, zusätzlichen Bedingungen neben der festen Phasenbeziehung sind insbesondere die Kohärenzlänge und Kohärenzzeit. Kohärenzlänge: Üblicherweise werden optische Interferenzphänomen dadurch hervorgerufen, dass zwei unterschiedliche Wellenzüge, die zeitgleich von einer einzigen Lichtquelle ausgesandt werden, an einem Ort aufeinandertreffen. Derartige Wellenzüge haben von vornherein eine feste Phasenbeziehung. Jeder der beiden Wellenzüge kann von der Lichtquelle bis zum Punkt des Aufeinandertreffens einen anderen Weg zurückgelegt haben. Der Unterschied in der Weglänge wird Gangunterschied genannt. Der maximale Gangunterschied, bei dem die Wellenzüge am Punkt des Aufeinandertreffens noch miteinander interferieren wird Kohärenzlänge genannt. Kohärenzzeit: Die von derselben Lichtquelle ausgesandten Wellenzüge legen ihre jeweilige Wegestrecke in unterschiedlichen Laufzeiten zurück. Der maximale Laufzeitunterschied, bei dem die Wellenzüge am Punkt des Aufeinandertreffens noch miteinander interferieren, wird Kohärenzzeit genannt.

Siehe auch

- Kohärente Strahlung
- Kohärenzlänge Kategorie:Optik ja:コヒーレンス

Elektromagnetische Welle

Elektromagnetische Wellen sind die uns im Alltag neben Wasserwellen und Schallwellen am häufigsten begegnenden Arten von Wellen. Zu ihnen gehören unter anderem das sichtbare Licht und alle Arten in der Elektrotechnik auftretenden Rundfunkwellen. Im Gegensatz zu Schallwellen, handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen, wie bei Wasserwellen, um Transversalwellen, d.h. Ausbreitungsrichtung und Schwingungsrichtung stehen senkrecht zueinander, was am Phänomen der Polarisation bemerkbar wird. Physikalisch betrachtet handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Hierbei stehen elektrisches und magnetisches Feld senkrecht aufeinander und haben ein festes Größenverhältnis (in SI-Einheiten ist dieses gerade durch die Lichtgeschwindigkeit c gegeben). Insbesondere verschwinden elektrisches und magnetisches Feld an denselben Orten zur selben Zeit, so dass die häufig gelesene Darstellung, dass sich elektrische und magnetische Energie zyklisch ineinander umwandeln, nicht ganz korrekt ist. Sie stimmt allerdings z.B. für das Nahfeld eines elektromagnetische Wellen erzeugenden elektrischen Dipols oder Schwingkreises. Die Entstehung elektromagnetischer Wellen erklärt sich aus den Maxwellgleichungen: Die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes ist stets mit einer räumlichen Änderung des magnetischen Feldes verknüpft. Ebenso ist wiederum die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes mit einer räumlichen Änderung des elektrischen Feldes verknüpft. Für periodisch (insbesonders sinusförmig) wechselnde Felder ergeben diese Effekte zusammen eine fortschreitende Welle. Das Besondere an der elektromagnetischen Welle ist, dass kein Medium vorhanden sein muss; eine solche Welle kann sich also im absolut leeren Raum fortpflanzen. Im Gegenzug dazu stehen die Materiewellen, wie z. B. der Schall, die ein Medium zur Übertragung brauchen. Im Vakuum breitet sich eine elektromagnetische Welle mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c_0 = 299.\,792.\,458\;\mathrm

aus. Dieser Wert ist exakt, da die Einheit Meter durch die Lichtgeschwindigkeit c definiert ist, und gilt unabhängig von der Frequenz der Welle. In einem Medium (also in Materie) verringert sich die Geschwindigkeit abhängig von der Permittivität und der Permeabilität des Stoffes. Zudem wird sie abhängig von der Frequenz der Welle (Dispersion), sowie (je nach Medium) abhängig von ihrer Polarisation und ihrer Ausbreitungsrichtung. Eine direkte Krafteinwirkung (z.B. Richtungsänderung) auf eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle kann nur durch das Ausbreitungsmedium (Begrenzungen wie Spiegel eingeschlossen) oder die Gravitationskraft erfolgen. Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert (eine Liste von Frequenzen und Beispiele elektromagnetischer Wellen gibt es im dortigen Artikel). Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Beim Licht bestimmt die Frequenz beziehungsweise die Wellenlänge die Farbe des Lichtes. Monochromatisches Licht, also Licht nur einer einzigen Wellenlänge, hat stets eine Spektralfarbe. Spektralfarbe Bei elektromagnetischen Wellen äußerst geringer Intensität oder bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen Wellen (beispielsweise Gammastrahlung) genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten des elektromagnetischen Feldes, in den Vordergrund. Der Wellencharakter (etwa Interferenz) tritt dagegen zurück. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jeder Frequenz

\nu

die Energie eines einzelnen Photons

h\cdot\nu

zugeordnet. Beide Aspekte elektromagnetischer Strahlen werden theoretisch im Rahmen der Quantenelektrodynamik erörtert. Einige neuere Theorien, zum Beispiel die Loop-Quantengravitation, sagen eine geringe Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum voraus.

Mathematische Beschreibung

Die Existenz elektromagnetischer Wellen folgt aus den Maxwellgleichungen. Sie wurden 1865 von James Clerk Maxwell theoretisch postuliert, bevor Heinrich Rudolf Hertz sie 1888 experimentell nachweisen konnte. An dieser Stelle sollen zunächst elektromagnetische Wellen im Vakuum betrachtet werden, also Wellen im ladungsfreien Raum unter Ausschluss von dielektrischen, dia- und paramagnetischen Effekten (

\vec D = \varepsilon_0 \vec E

und

\vec B = \mu_0 \vec H

, siehe Materialgleichungen der Elektrodynamik). Stromdichte j und Ladungsdichte ρ sind Null. Man geht zunächst von der dritten maxwellschen Gleichung aus (mit j=0): :

(1) \  \operatorname \vec E = -

und wendet auf beide Seiten den Rotationsoperator an. Zum einen erhält man dadurch :

\operatorname \  \operatorname \vec E = - \operatorname \left(  \right)

= - \mu_0  \left( \operatorname \vec H \right),

und setzt die vierte maxwellsche Gleichung ein, :

= - \mu_0  \left(  \right)

(2) \  = - \mu_0 \varepsilon_0

Zum anderen gilt ganz allgemein die vektoranalytische Beziehung :

\operatorname \  \operatorname \vec A = \operatorname \  \operatorname \vec A - \Delta \vec A

mit dem Laplace-Operator Δ :

\Delta = \partial^2 / \partial x^2 + \partial^2 / \partial y^2 + \partial^2 / \partial z^2

. Wendet man diese Beziehung auf (1) an, und bedenkt man, dass der ladungsfreie Raum betrachet wird, in dem nach der ersten maxwellschen Gleichung die Divergenz von D Null ist, so ergibt sich :

\operatorname \ \operatorname\vec E = \operatorname \ \operatorname \vec E - \Delta \vec E

= \operatorname \  0 - \Delta \vec E

(3) \  = - \Delta \vec E

. Setzt man nun (2) und (3) zusammen ergibt sich folgende Wellengleichung :

(4)  \  \Delta \vec E = \mu_0 \varepsilon_0

. Fast alle Wellen lassen sich durch Gleichungen der Form :

(5) \   = v^2 f

beschreiben, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit c. Für sie gilt daher : $c^2 =$ . Damit erhält man also aus (4) die Gleichung : $= c^2 \Delta \vec E,$ die für jede Komponente eine Wellengleichung der Form (5) darstellt. Ihre Lösungen sind Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Breitet sich die Welle in linearen Materialien mit dem Dielektrizitätskonstante ε und der Permeabilität μ aus, so ist die Lichtgeschwindigkeit c etwas niedriger, nämlich : $c=,$ wobei im aber allgemeinen die Materialkonstanten nicht linear sind, sondern selbst z.B. von der Feldstärke oder der Frequenz abhängen. Während das Licht sich in der Luft immer noch fast mit Vakuumlichtgeschwindigkeit c ausbreitet (die Materialkonstanten sind in guter Näherung 1), gilt das für Wasser schon nicht mehr, was u.a. den Tscherenkow-Effekt ermöglicht. Weiterhin ist auch eine mathematische Beschreibung mit Hilfe von Potenzialen moeglich, denn wegen : $(1) \quad \nabla \cdot \left(\nabla \times \vec A \right) = 0$ und : $(2) \quad \nabla \cdot \vec B = 0$ kann der Feldvektor der magnetischen Flussdichte auch als Rotation eines Vektorfeldes A aufgefasst werden. A wird deshalb das Vektorpotenzial von B genannt und es gilt: : $(3) \quad \vec B = \nabla \times \vec A$ Diese Beziehung kann nun weiter verwendet werden. Die Rotation des elektrischen Feldes ist bestimmt durch : $(4) \quad \nabla \times \vec E = -$ Setzt man nun die eben gewonnene Beziehung aus (3) in (4) ein, so erhaelt man : $(5) \quad \nabla \times \vec E = - \nabla \times \vec A$ und daraus folgt : $(6) \quad \nabla \times \left \lbrack \vec E + \right \rbrack = 0$ Nun verschwindet aber die Rotation eines jeden Gradienten, so dass der innere Ausdruck von (6) als Gradient einer skalaren Funktion aufgefasst werden kann: : $(7) \quad - \nabla \phi = \vec E +$ : $(8) \quad \vec E = - \nabla \phi -$ Dies kann nun wieder in den ursprünglichen Maxwell-Gleichungen verwendet werden. Mit : $(9)\quad \nabla \cdot \vec E =$ : $(10) \quad \nabla \times \vec B = \mu \kappa \vec E + \mu \epsilon$ und (8) und der Beziehung : $\quad \nabla \times \nabla \times \vec A = \nabla (\nabla \cdot \vec A) - \nabla^2 \vec A$ erhaelt man : $(11) \quad \nabla^2 \phi + \nabla \cdot \vec A = -$ : $(12) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa - \nabla \left \lbrack \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi \right \rbrack = 0$ Um diese Gleichungen (11) und (12) voneinander zu entkoppeln, wird verlangt, dass der Term unter dem Gradienten in (12) verschwindet (siehe Eichtransformation), also : $(13) \quad \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi = 0$ Ist die Bedingung aus (13) erfüllt, so ergibt sich aus (12) automatisch die Wellengleichung für das Vektorpotenzial A mit : $(14) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa = 0$ und aus (11) und (13) die Wellengleichung der skalaren Potenzialfunktion mit : $(15) \quad \nabla^2 \phi - \mu \epsilon - \mu \kappa = -$ Im quellfreien Vakuum folgt : $(16) \quad \nabla^2 \vec A - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ : $(17) \quad \nabla^2 \phi - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ Diese Beschreibung elektromagnetischer Phänomene kann durch Eichtransformation an verschiedene Probleme angepasst werden um diese zu vereinfachen. In der Quantenmechanik wird dem Vektorpotenzial des magnetischen Feldes oft eine fundamentalere Rolle als der Feldgroesse selbst zugeschrieben. Das Vektorpotenzial ist naemlich selbst dann vorhanden, wenn das magnetische Feld verschwindet. Dieses Phaenomen ist unter dem Namen Aharonov-Bohm-Effekt bekannt. Experimentell kann das Vektorpotenzial durch Interferenz von Elektronenstrahlen nachgewiesen werden, die an einem abgeschirmnten Magnetfeld vorbeilaufen. Die Elektronen werden durch das Magnetfeld also nicht beeinflusst. Dennoch werden die Interferenzmuster durch den Zustand des Feldes veraendert. Als Ursache wird das Vektorpotenzial angenommen, das auch bei nicht vorhandenem B-Feld existieren kann. Diese Ansicht ist jedoch umstritten.
Siehe auch

- Welle (Physik)
- Licht
- Radar
Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m05_elma_wellen.htm Versuche und Aufgaben]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung: Frequenz in Wellenlänge und zurück - Elektromagnetische Wellen und Schallwellen]
- [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040827/ Forscher machen erstmals Lichtwellen sichtbar] Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Spektroskopie ja:電磁波 ko:전자기파

Stimulierte Emission

Induzierte Emission oder stimulierte Emission nennt man den Übergang eines Elektrons von einem höheren in ein tieferes Energieniveau unter Emission eines Photons, der durch ein anderes Photon ausgelöst wird. Bei diesem Vorgang bleibt das induzierende Photon (anders als bei einer Absorption) erhalten. Das emittierte Photon hat die gleichen Quantenzahlen (gleiche Wellenlänge, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung), wie das induzierende Photon. Daher wird durch induzierte Emission verstärkt Licht bestimmter Eigenschaft freigesetzt. Die induzierte Emission spielt in der Laserphysik eine große Rolle. In einem Laser oder Maser sind viele Elektronen in einem hohen Energieniveau; durch induzierte Emission gehen alle (fast) gleichzeitig in ein tieferes Niveau über. Die Energie wird kohärent und konzentriert abgegeben. Die induzierte Emission ist von der spontanen Emission zu unterscheiden.

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Atomphysik Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Laser

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Resonator

Ein Resonator ist ein schwingfähiges System, dessen Komponenten auf eine bestimmte Frequenz (Eigenfrequenz) in der Art abgestimmt sind, dass der Resonator bei Anregung mit dieser Frequenz ausschwingt (s. Resonanz). Man unterscheidet akustische, mechanische, hydromechanische, elektromagnetische Resonatoren. #Akustische Resonatoren bestehen aus einem elastisch verformbaren Luftvolumen eines teilweise offenen Hohlraumes und der Masse der Luft in einer rohrartigen Öffnung. Der Helmholtz-Resonator stellt einen teilweise offenen Hohlraumresonator dar. (siehe auch Rijke-Rohr) #Mechanische Resonatoren bestehen aus Federn, Massen und Reibungsgliedern. #Hydromechanische Resonatoren stellen u.a. Beckenresonatoren dar, in denen sich eine (teilweise) abgrenzbare (inkompressible) Flüssigkeitsmasse durch Reflexion an ihren Berandungen in Form einer stehenden Welle bewegt. Siehe Tideresonanz, Wellenresonanz, Brandungsresonanz. # Elektrische Resonatoren bestehen aus Kondensatoren (Kapazitäten), Spulen (Induktivitäten) und ohmschen Widerständen. # Elektromagnetische Resonatoren werden beispielsweise im Laser oder auch im Klystron verwendet Kategorie:Wellenlehre

Charles H. Townes

Charles Hard Townes (
- 28. Juli 1915 in Greenville/South Carolina), US-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger Townes erhielt 1964 zusammen mit Nikolai Gennadijewitsch Bassow und Alexander Michailowitsch Prochorow den Physik-Nobelpreis "für grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik, die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des Maser-Laser-Prinzips (Maser, Laser) führten". Townes ist u.a. Mitglied der National Academy of Science (Washington) und der International Academy of Science. Er erhielt im Jahr 2005 den mit einer Million US-Dollar dotierten Templeton-Preis.

Weblinks

- Townes, Charles Hard Townes, Charles Hard Townes, Charles Hard Townes, Charles Hard

1954

Ereignisse

Politik

- 1. Januar: Rodolphe Rubattel wird Bundespräsident der Schweiz
- 25. Februar: Ghamal Abdel Nasser wird Präsident von Ägypten
- 1. März: Die USA zünden im Pazifik die bisher stärkste Wasserstoffbombe, 600-fache Stärke der Hiroshimabombe
- 13. März: die Viet Minh kämpfen bei Dien Bien Phu gegen die Franzosen
- 21. April: Russische Förderation wird Mitglied in der UNESCO
- 21. April: Im Grenzverkehr zwischen Deutschland und Frankreich wird kein Visum mehr benötigt
- 28. April: In Colombo (Sri Lanka) treffen die Ministerpräsidenten von Indien, Pakistan, Birma, Ceylon und Indonesien zu einer Asienkonferenz zusammen, auf der unter anderem die aktuelle Situation in Indochina beraten wird
- 12. Mai: Belarus und die Ukraine werden Mitglieder in der UNESCO
- 17. Mai: USA Der Supreme Court der Vereinigten Staaten von Amerika verbietet die Rassentrennung an öffentlichen Schulen
- 20. Mai: Chiang Kai-shek wird Präsident von Taiwan
- 29. Mai: Vom 29.-31. Mai findet die erste Bilderberg-Konferenz statt
- 20. Juli: Otto John, Präsident des Bundesverfassungsschutzes, setzt sich in die Deutsche Demokratische Republik ab
- 21. Juli: Auf der Genfer Konferenz wird nach dem Indochinakrieg die Teilung Vietnams beschlossen
- 22. Juli: Laos wird unabhängig
- 22. Juli: Doppelbesteuerungsabkommen zwischen Deutschland und den USA
- 18. August: Offenbach am Main wird mit der Geburt ihres einhunderttausendsten Einwohners zur jüngsten Großstadt Hessens
- 30. August: Gründung der Europäischen Verteidigungsgemeinschaft (EVG) scheitert an der Ablehnung des EVG-Vertrags durch die französische Nationalversammlung
- 2. Oktober: Auf der Londoner Außenministerkonferenz wird die Wiederbewaffnung der Bundesrepublik Deutschland und die Aufnahme in die Nato beschlossen
- 4. Oktober: Doppelbesteuerungsabkommen zwischen Deutschland und Österreich
- 23. Oktober: Kulturabkommen zwischen Deutschland und Frankreich. In Kraft seit dem 28. Juli 1955
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