Lehrbuch der Experimentalphysik: Band 3 Optik [8. Aufl. Reprint 2019] 9783111500720, 9783110108828

Citation preview

Bergmann • Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik III Optik

Bergmann • Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik Band iii Optik 8. Auflage Herausgeber Heinrich Gobrecht Autoren Hans-Joachim Eichler, Heinrich Gobrecht Michael Krystek, Heinz Niedrig Manfred Richter, Heinz Schoenebeck Horst Weber, Kurt Weber

w

Walter de Gruyter G Berlin • New York 1987 DE

Herausgeber Dr.-Ing. Heinrich Gobrecht em. o. Professor für Physik Institut für Festkörperphysik Technische Universität Berlin Hardenberg-Straße 36 D-1000 Berlin 12 1. Auflage 1955 2. Auflage 1959 3. Auflage 1962 4. Auflage 1966 5. Auflage 1972 6. Auflage 1974 7. Auflage 1978 1. Nachdruck 2. Nachdruck 8. Auflage 1987

bearbeitet von Frank Matossi Herausgeber Heinrich Gobrecht 1985 1986

Das Buch enthält 682 Abbildungen, 70 Tabellen und 2 Farbtafeln am Schluß des Buches.

CIP-Kurztitelaufnahme

der Deutschen Bibliothek

Bergmann, Ludwig: Lehrbuch der Experimentalphysik / Bergmann ; Schaefer. - Berlin ; New York : de Gruyter Früher mit d. Angabe: Bergmann-Schaefer NE: Schaefer, Clemens: Bd. 3, Optik / Herausgeber Heinrich Gobrecht. Autoren Hans-Joachim Eichler ... - 8. Aufl. - 1987. ISBN 3-11-010882-8 NE: Eichler, Hans-Joachim [Bearb.]

Copyright © 1987 by Walter de Gruyter&Co., Berlin 30. Alle Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Photokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Printed in Germany. Einbandentwurf: Wernitz & Wernitz, Berlin. Satz: Tutte GmbH, Salzweg-Passau. Druck: Gerike GmbH, Berlin. Bindung: Lüderitz & Bauer GmbH, Berlin.

Vorwort zur 8. Auflage

Die erste Auflage des Bandes „Optik" erschien im Jahre 1955. Die damaligen Autoren - Ludwig Bergmann und Clemens Schaefer - hatten sich das Ziel gesetzt, ein Lehrbuch zu schreiben, in welchem einerseits der Anfänger die Grundlagen der Optik verstehen kann und welches andererseits auch dem Fortgeschrittenen noch nützlich ist. Wenn nun jetzt die achte Auflage erscheint, so kann man daraus wohl zu Recht schließen, daß der Band „Optik" bei vielen Studenten und auch anderen Lesern Zustimmung erhalten hat. Das Buch wurde neu bearbeitet und verbessert, wo dies notwendig oder zweckmäßig erschien. Tragischerweise erlag Prof. Dr. Dietrich Hahn während der Arbeit an dem Buch einem plötzlichen Herztod. Sein Mitarbeiter Dr. Michael Krystek war sofort bereit, das Kapitel 5 (Optische Strahlung und ihre Messung) vollverantwortlich zu übernehmen. Und leider mußte auch Prof. Dr. Heinz Schoenebeck, kurz, nachdem er die Korrekturen an seinem Kapitel über Relativitätstheorie beendet hatte, aus dem Leben scheiden. Sowohl die internationalen Einheiten (SI) als auch die international empfohlenen Buchstabensymbole werden weitgehend verwendet. In wenigen Ausnahmen mußte davon abgesehen werden. So z.B. ist der Buchstabe n sowohl für die Brechzahl als auch für die Besetzungsdichte bei den Laserniveaus üblich. Wenn aber in einem Abschnitt diese beiden Begriffe vorkommen, dann wird für die Brechzahl nicht der Buchstabe n, sondern der griechische Buchstabe rj benutzt. Die Literatur zur Ergänzung und Vertiefung steht bei dieser Auflage zum ersten Mal am Ende eines jeden Kapitels. Die Anzahl der empfohlenen Bücher und Aufsätze in Zeitschriften wurde erweitert und ihre Auswahl kritisch durchgesehen. Das deutsch-englische und das englisch-deutsche Wörterverzeichnis enthält solche Fachwörter, die in dem Buch vorkommen. Es soll dem Leser eine Hilfe sein, zumal die Verwendung der englischen Sprache in der Naturwissenschaft und Technik zunimmt. Berlin, Februar 1987

Heinrich

Gobrecht

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Eichler Optisches Institut Technische Universität Berlin Straße des 17. Juni 135 D-1000 Berlin 12 Kapitel 2 Dispersion und Absorption des Lichtes Kapitel 3 Interferenz und Beugung Prof. Dr.-Ing. Heinrich Gobrecht Institut für Festkörperphysik Technische Universität Berlin Hardenberg-Straße 36 D-1000 Berlin 12 Kapitel 1 Strahlenoptik Dr. Michael Krystek Physikalisch-Technische Bundesanstalt Abteilung Optik D-3300 Braunschweig Kapitel 5 Optische Strahlung und ihre Messung Prof. Dr.-Ing. Heinz Niedrig Optisches Institut Technische Universität Berlin Straße des 17. Juni 135 D-1000 Berlin 12 Kapitel 8 Wellencharakter der Materie Prof. Dr.-Ing. Manfred Richter Bundesanstalt für Materialprüfung Unter den Eichen 87 D-1000 Berlin 45 Kapitel 6 Farbmetrik

VIII

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Heinz Schoenebeck Optisches Institut Technische Universität Berlin (verstorben Oktober 1986) Kapitel 9 Relativitätstheorie Prof. Dr.-Ing. Horst Weber Fachbereich Physik Universität Kaiserslautern Erwin-Schrödinger-Straße, Bau 46 D-6750 Kaiserslautern Kapitel 7 Quantenoptik Prof. Dr. rer. nat. Kurt Weber Institut für Mineralogie und Kristallographie Technische Universität Berlin Straße des 17. Juni 135 D-1000 Berlin 12 Kapitel 4 Polarisation und Doppelbrechung des Lichtes

Inhalt

Energieeinheiten und Äquivalentwerte Strahlungsphysikalische Größen und Einheiten Lichttechnische Größen und Einheiten 1

Strahlenoptik Heinrich

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2

1

Gobrecht

Vorbemerkungen und Grundbegriffe Die geradlinige Ausbreitung des Lichtes, Schatten, Lochkamera .. Die Reflexion des Lichtes, ebene Spiegel Gekrümmte Spiegel, Konkav- und Konvexspiegel Die Brechung des Lichtes, Totalreflexion Brechung des Lichtes beim Durchgang durch Prismen; Spektrometer und Refraktometer Brechung des Lichtes an einer Kugelfläche Brechung und Abbildung durch ein zentriertes System brechender Kugelflächen Abbildung durch Linsen Die Abbildungsfehler der Linsen Die Strahlenbegrenzung, Wirkung der Blenden Das Auge und einige optische Instrumente Helligkeit und Kontrast bei den optischen Instrumenten Der Fermatsche Satz, das Eikonal, der Satz von Malus Optik der Atmosphäre

81 91 115 131 137 176 186 191

Dispersion und Absorption des Lichtes

207

Hans-Joachim

2.1 2.2 2.3 2.4

XV XV XVI

1 3 7 15 32 50 65

Eichler

Messung der Lichtgeschwindigkeit Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit Die Dispersion des Lichtes: Normale Dispersion Achromatische und geradsichtige Prismen; chromatische Bildfehler 2.5 Infrarote (ultrarote) und ultraviolette Strahlung 2.6 Absorption der Strahlung

207 216 221 232 239 262

X

Inhalt

2.7 Die Dispersion des Lichtes; Anomale Dispersion 2.8 Dispersion und Absorption schwach absorbierender Substanzen; Anwendungen 2.9 Dispersion und Absorption der Metalle 2.10 Spektralanalyse, Emissions- und Absorptionsspektren, Dopplereffekt, Spektralapparate

276 292

3

325

Interferenz und Beugung Hans-Joachim

268

301

Eichler

3.1 Allgemeines über Interferenz von Lichtwellen; Kohärenz und Inkohärenz 3.2 Fresnelscher Spiegelversuch und Varianten 3.3 Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten, Farben dünner Blättchen; Kurven gleicher Dicke und gleicher Neigung 3.4 Zweistrahlinterferometer 3.5 Vielstrahlinterferenz; Interferenzspektroskopie 3.6 Stehende Lichtwellen; Farbenphotographie nach Lippmann 3.7 Lichtschwebungen 3.8 Grunderscheinungen der Beugung; Beugung am Spalt, an rechteckiger und kreisförmiger Öffnung 3.9 Das Auflösungsvermögen optischer Instrumente (Fernrohr, Auge, Mikroskop, Prisma) 3.10 Beugung durch mehrere kongruente, regelmäßig angeordnete Öffnungen; Youngscher Interferenzversuch; Beugungsgitter; Stufengitter; Ultraschallwellengitter 3.11 Beugung an zwei- und dreidimensionalen Gittern; Röntgenstrahlbeugung 3.12 Bildentstehung im Mikroskop nach E. Abbe; Phasenkontrastverfahren nach Zernike; Schlierenverfahren 3.13 Beugung an Teilchen, Lichtstreuung 3.14 Holographie

438 452 461

4

481

Polarisation und Doppelbrechung des Lichtes

325 336 342 357 362 377 381 384 398

405 423

Kurt Weber

4.1 Polarisation des Lichtes durch Reflexion und gewöhnliche Brechung 4.2 Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation; Fresnelsche Formeln 4.3 Totalreflexion, Herstellung von elliptisch und zirkulär polarisiertem Licht 4.4 Polarisation des reflektierten Lichtes bei absorbierenden Medien; Metallreflexion

481 493 502 516

Inhalt

XI

4.5 Doppelbrechung und Polarisation an optisch einachsigen Kristallen 4.6 Optisch zweiachsige Kristalle 4.7 Polarisatoren: Nicoisches Prisma, Glan-Thompson-Prisma, Turmalinplatte, Polarisationsfilter, Wollastonprisma, Polarisationsphotometer 4.8 Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichtes (optische Aktivität) 4.9 Optisches Verhalten und Symmetrie der Kristalle 4.10 Interferenzen an Kristallplatten im parallelen, polarisierten Strahlengang 4.11 Interferenzen im konvergenten Licht 4.12 Kristalline Flüssigkeiten 4.13 Induzierte Doppelbrechung in isotropen Stoffen 4.14 Zeeman- und Stark-Effekt

588 602 608 620 627

5

639

Optische Strahlung und ihre Messung Michael

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 6

558 566 579

Krystek

Einführung Grundgrößen und Definitionen Die Wärmestrahlung Das Kirchhoffsche Gesetz Der schwarze Strahler, Hohlraumstrahlung Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz Das Wiensche Verschiebungsgesetz Die Strahlungsgesetze Strahlung nicht-schwarzer Strahler Strahlungscharakteristische Temperaturen, Pyrometrie Strahlungsbewertung durch das Auge, Photometrie Realisierung der Lichteinheit, Normallichtquellen Photometrische Meßmethoden und Meßgeräte Ausblicke auf die Lichttechnik

639 641 647 649 652 655 658 660 666 670 674 679 684 690

Farbmetrik

701

Manfred

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

524 553

Richter

Wesen der Farbe Technik der additiven Farbmischung Gesetzmäßigkeiten der additiven Farbmischung Wirkungsweise des Auges Weiterer Ausbau der Farbvalenzmetrik Die Spektralwerte

701 703 708 715 720 726

XII

Inhalt

6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16

Virtuelle Farbvalenzen; Normvalenz-System Farbreiz und Farbvalenz Körperfarben Bedingt-gleiche Farben Sogenannte subtraktive Farbmischung Optimalfarben Komplementäre und kompensative Farben Helmholtz-Maßzahlen Verfahren der Farbmessung Anschauliche Farbkennzeichnung; höhere Farbmetrik

730 735 736 739 740 743 746 748 750 754

7

Quantenoptik

765

Horst Weber

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 8

Der lichtelektrische Effekt Einsteins korpuskulare Theorie des Lichtes und deren Prüfung . . . Der lichtelektrische Effekt bei hohen Bestrahlungsstärken Anwendungen des lichtelektrischen Effekts Die korpuskularen Eigenschaften des Photons Die Bedeutung der Quantenelektrodynamik Die quantenhafte Absorption und Emission von Licht Streuung von Photonen Statistische Eigenschaften der Photonen Erzeugung von kohärentem Licht - LASER Nichtlineare Optik

766 772 779 786 796 804 813 832 867 888 918

Wellencharakter der Materie

943

Heinz

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 9.9 9

Niedrig

Materiewellen Elektronenbeugung Beugung anderer Materieteilchen Elektronenoptik Elektronenmikroskopie Elektronenergieverlust-Spektroskopie und Mikroanalyse Elektronenstrahl-Lithographie Das Raster-Tunnel-Mikroskop Die Unschärfe-Relation bei Materiewellen Relativitätstheorie Heinz

943 948 959 962 978 989 993 997 998 1005

Schoenebeck

9.1 Das Relativitätsprinzip der Mechanik 9.2 Versagen des Relativitätsprinzips der Mechanik in der Elektrodynamik

1005 1007

Inhalt

9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12

Versuche zum Mitführungskoeffizienten Der Versuch von Michelson Die Einsteinsche Lösung des Problems Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten; der Mitführungskoeffizient Dopplersches Prinzip und Aberration Die Invarianz der Gleichungen der Elektrodynamik und der Mechanik gegenüber der Lorentz-Transformation Rotationsbewegung Energie und Masse Überblick über den Gedankenkreis der allgemeinen Relativitätstheorie Experimentelle Bestätigungen der allgemeinen Relativitätstheorie

Fachwörterverzeichnis Deutsch-Englisch / Englisch-Deutsch Konstanten Sach- und Namenregister

XIII

1011 1014 1019 1027 1030 1037 1043 1047 1051 1058 1071 1099 1101

Energieeinheiten und Äquivalentwerte

1 Joule (J)

= 1 Wattsekunde ( W s )

=

1 Newtonmeter ( N m ) 1 Kalorie (cal)

= 4,1868 J

1 Elektronvolt ( e V )

= 1,6021 • 1 0 " 1 9 J

1 Reziprokes Zentimeter ( c m - 1 ) *

= 1,9865 • 1 ( T 2 3 J

1 Kelvin ( K )

= 1,3807 • 1 ( T 2 3 J

Einer Quantenenergie v o n h v = 1 e V entspricht eine Strahlung mit der Frequenz v = 2,418 H z , der Wellenlänge l = 1,24 um und der Wellenzahl v o n 8065 c m " 1 .

Strahlungsphysikalische Größen und Einheiten Energiebezogen; Buchstabensymbole o f t mit Index e versehen Größe

Einheit

Strahlstärke I, Ie

W-

sr"1

Strahlungsleistung $,