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Witzige Physik | Physik erklären mit Witz und Eine neue Serie die den Zugang zu physikalischen Inhalten mit Hilfe von witzigen Darstellungen vereinfacht. Die Darstellung richtet sich an interessierte Leser, die sich in der Mechanik im Bereich von Wellen auskennen, sowie in der Atomphysik über Grundkentnisse verfügen. Der Frosch-Laser
LASER ist ein englisches Kunstwort und steht für: 1.0: Witzige Beschreibung Stellt Euch einen runden Teich (T) vor, an dem Frösche le¬ben. Der Teich befindet sich in einer Vertiefung. Die Vertiefung weist neben dem Teich (T) mindestens noch 2 Plattformen (PO, gelb und PZ, hellgrün) auf, wobei die untere (PZ) mit einem kleinen Zaun abge¬grenzt ist. An der Seite sorgt ein Froschbagger (Fb) dafür, dass die Frösche aus dem Teich (T) auf die obere Plattform (PO) gelangen können. 1.1: Physikalischer Inhalt Laserstrahlung entsteht nur in ei¬nem Material, das auf atomarer Ebene ganz bestimmte Eigenschaf¬ten auf¬weist. Die Laserstrahlung ist ein elektroni¬scher Energieübergang von einem metastabilen angeregten Zu¬stand (PZ) in den Grundzustand (T). Der metastabile Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufent¬halts- oder Lebensdauer der Elektronen dort besonders lang sind und man dadurch dort eine Überbesetzung an Elektronen erzeugen kann. Überbesetzt heißt, dass der Zustand mehr Elektronen enthält, als die Regeln der Atomphysik vorgeben. Beim optischen Pumpen werden Elektro¬nen des Grundzustandes (T) mit einer größeren Energie als die der Laserstrahlung in ein Energieniveau (PO), das über dem met¬astabilen Zustand liegt, angehoben. Von dort fallen sie meist strahlungslos in den Zustand PZ und erzeugen dort die Überbesetzung. Bei der Analogie identifiziert man die Frösche mit Elektronen, den Teich (T) mit dem Grundzustand E0, die obere Plattform (PO) mit E2 und die Plattform mit Zaun (PZ) mit E1. Der Zaun erzeugt die erhöhte Lebens-dauer der Elektronen in diesem Zustand und macht eine Überbesetzung möglich. Die optische Pumpe wird durch den Froschbagger realisiert. Zurück zum Seitenanfang 2.0: Witziger Text Da Frösche gesellige Tiere sind, hüpfen sie selbstständig von dem oberen Plateau (PO, gelb) auf die Plattform mit dem Zaun (PZ). Irgendwann wird es dort eng. Die Frösche drängen sich an den Zaun. 2.1: Physikalischer Inhalt Der angeregte Zustand (PO = E2) leert sich und füllt nach und nach den metastabilen Zustand (PZ = E1) auf, bis sich dort die gewünschte Überbesetzung einstellt. Zurück zum Seitenanfang 3.0: Witziger Inhalt Immer wieder gibt es einen Frosch, der durch die unerträgliche Enge nervös wird.
Und dann passiert es: 3.1: Mit physikalischen Worten: Man nennt diesen Vorgang "Induzierte Emission". Das Lasermaterial gibt dabei elektromagnetische Strahlung in Form von z.B. rotem Licht ab. Rotes Licht hat die unvorstellbare hohe Frequenz von 462 THz (1 Tera-Hz sind 1012 Hz). Etwas handlicher ist die Angabe seiner Wellenlänge λ. Sie wird in Nanometer gemessen (1 nm = 10-9 m), wobei rotes Licht eine Wellenlänge von etwa 650 nm hat. Die induzierte Emission kann auch als Mitnahmeeffekt bezeichnet werden. Ein Elektron springt spontan und regt dadurch eine große Menge anderer Elektronen zum Sprung in den Grundzustand E0 an. ΔE = h ° f
Zurück zum Seitenanfang 4.0: Witziger Inhalt Mit der Zeit wird es im Grundzustand (T = E0) ebenfalls eng, wodurch sich das Nachspringen der Frösche von der umzäunten Plattform verringern würde. Da aber die Bereitstellung der Frösche durch den Frosch-bagger (Fb) weiterhin in Betrieb ist, können kontinuierlich Frösche aus der umzäunten Plattform (PZ) in den Teich (T) springen. Wenn dies obendrein noch mit konstantem Takt geschieht, ist der "Frosch-Laser" schon fast perfekt. 5.1: Die Physiker sagen: Die Lichtverstärkung wird durch einen weiteren jetzt aber optischen Resonator erreicht. Gestaltet man das laseraktive Material als kreisförmige Scheibe, so kann man analog zum Froschteich darin stehende Wellen erzeugen und verstärken. Im Gegensatz zum Froschteich besteht jetzt die Welle aus elektromagnetischer Strahlung, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit im Medium entspricht. λ = CLm ° f Mit λ der Wellenlänge, CLm der Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Laserscheibe und f der Lichtfrequenz also der Lichtfarbe. Jetzt muss nur noch die Resonanzbedingung eingehalten werden. Man erreicht dies, indem man die Abmessungen der Laserscheibe wählt zu: R = n ° λ Mit R dem Radius der Kreisfläche, n eine ganze natürliche Zahl und λ der Wellenlänge.Zurück zum Seitenanfang 6.0: Andere Ausführungsformen: Laserstrahlung kann aber auch in verschieden gestalteten Materialien und Formen erzeugt werden. Im Abschnitt 5.1 wurde für das laseraktive Material eine Kreisscheibe verwendet. Es ist aber auch möglich die Strahlung in einem zylindrischen Stab anzuregen, wobei die Froschteich-Analogie dann nicht mehr benutzt werden kann. Hoffentlich sind mir die Frösche darüber nicht zu böse! 6.1: Ein longitudinal-Laser: Verwendet man also statt der Kreis-Scheibe einen zylinderförmigen hohlen Stab, ähnlich einer Flöte, so kann man darin eine Längs- oder Longitudinal-Welle anregen. Statt Wasser ist jetzt die Luft das schwingende Material und die Wellen nennt man Schallwellen. Es ist hinreichend bekannt, dass die Flötenlänge bzw. die Lochwahl die erzeugte Frequenz bestimmt. 6.2: Wie erklärt der Physiker dieses Phänomen?: Schallwellen sind longitudinale Druckwellen, dabei schwingen die Luftmoleküle im Gegensatz zu den Transversalwellen, in der Ausbreitungsrichtung der Wellen. Maxima = Hochdruck wechseln sich mit Minima = Unterdruck regelmäßig ab. Der Abstand zwischen 2 aufeinanderfolgenden Wellenbergen bzw. Wellentälern heißt Wellenlänge. Die Wellenhöhe nennt man Amplitude. Zwischen jedem Wellenberg und Wellental gibt es einen Nulldurchgang. An diesem Ort befinden sich die Luftteilchen in Ruhe. Verwendet man eine Flöte, so entstehen an dieser Stelle keine Verwirbelungen und man kann, ohne die Luftströmungen zu stören, dort ein Loch bohren. Wenn der Lochabstand der Flöte ein ganzzahliges Vielfaches der erzeugten Wellenlänge ist, dann wird die oben erwähnte Resonanzbedingung erfüllt. Es bilden sich dann auch in der Flöte stehende Wellen aus, die man verstärken kann. Ähnlich wie die Schallwellen in der Luft breiten sich Longitudinal-Wellen auch in Festkörpern z.B. einem Rubinkristallstab aus. Wenn man die Analogie wieder auf den Laser überträgt, dann ist der Lochabstand der Flöte die Länge des Rubinstabes. Dieser muss dazu exakt geschliffen werden. Wenn man darüber hinaus das linke Ende des Stabes voll- und das rechte teilverspiegelt, kann man über die Länge des extrem genau geschliffenen Stabes die Resonanzbedingung einhalten. Über die Teilverspiegelung lässt sich die Lichtverstärkung einstellen und Strahlungsenergie entnehmen. Man darf dort dem System nur so viel Strahlungsenergie entnehmen, dass die induzierte Emission nicht zum Erliegen kommt und dadurch die Schwingung abreißt. Zurück zum Seitenanfang 7.0: Zusammenfassung: Zurück zum Seitenanfang Copyright by Hans Joachim Ilgen seit 1950 |
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Abb. 1: Froschteich mit Froschbagger
Abb. 2: Der Laserübergang
Abb. 3: Wanderung der Frösche
Abb. 4: Die "Induzierte Emission
Abb. 6: Eine stehende Kreiswelle
Abb. 8: Sinusschwingung einer Druckwelle