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2024 | Buch

Optik und ihre Phänomene

Lichtspiele in der Natur: von Luftspiegelungen und Himmelsfarben bis in die Weiten des Alls

verfasst von: Michael Vollmer

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Lehr-, Lern-, Fach- und Sachbuch präsentiert die Grundlagen der Optik in Theorie und ausführlich beschriebenem Experiment sowie vielfältige faszinierende optische Phänomene. Ob in Vorlesungen, Seminaren, für Projektarbeiten, Schulunterricht oder Selbststudium - dieses Buch ist eine wertvolle Ressource für alle, die sich für Optik interessieren. Durch die große Zahl zitierter Originalarbeiten schlägt es nicht nur die Brücke zur Lehre sondern auch zur Forschung.

Besonderheiten:

Das Buch besticht durch seine über 1000 Abbildungen, darunter über 200 qualitativ hochwertige Farbfotos optischer Naturphänomene sowie einer großen Zahl an wissenschaftlichen und physikdidaktischen Literaturangaben für weiterführende Studien. Die Kapitel sind jeweils auch einzeln lesbar, aber zusammen ist es eine einmalige Kombination aus einführendem Lehrbuch der klassischen Optik und detaillierter up-to-date Zusammenstellung von Anwendungen im Bereich optischer Naturphänomene. Thematisch spannt es einen sehr weiten Bogen: von geometrischer, Wellen- und Quantenoptik, Radiometrie und Photometrie über Farbtheorien und technische Anwendungen wie Spektroskopie bis hin zu Naturphänomenen oder der Frage warum der Himmel nachts dunkel ist. Die Grundlagen werden vertieft durch zahlreiche Verständnisfragen und Übungsaufgaben zusätzlich zu vielen Anwendungsbeispielen, die von Fensterreflexionen über Lichtwellenleiter und Smartphoneobjektive bis hin zu modernen Beamern reichen.

Inhalt:

1. Einleitung .- 2. Geometrische Optik .- 3. Wellenoptik .- 4. Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Quantenoptik .- 5. Detektoren und Lichtquellen .- 6. Visuelle Wahrnehmung .- 7. Die Atmosphäre der Erde .- 8. Luftspiegelungen.- 9. Regenbögen .- 10. Koronen, Glorien und verwandte Erscheinungen .- 11. Haloerscheinungen am Himmel.- 12. Lichtstreuung und Himmelsfarben .- 13. Weitere Phänomene aufgrund von Lichtstreuung .- 14. Bis in die Stratosphäre und darüber hinaus

Neuerungen (zur 2.Aufl.):

Der erste Lehrbuchteil zu den Grundlagen ist komplett neu hinzugefügt. Der zweite Teil zu den Anwendungen und Naturphänomenen wurde komplett überarbeitet und aktualisiert. Zudem illustrieren nun über 200 Farbfotos die Phänomene.

Die Zielgruppe:

Sowohl interessierte Laien - mit und ohne Vorwissen - und Lehrkräfte an Schulen als auch Studierende diverser Fachrichtungen sowie deren Lehrende profitieren von dieser umfangreichen Zusammenstellung. Optik wird nicht nur im Bachelor bzw. Master in Physik u. Astronomie bzw. Astrophysik sowie in den Naturwissenschaften thematisiert, sondern auch in Studiengängen mit Schwerpunkten wie Licht- und Beleuchtungstechnik, Lasertechnik, optische Technologien, Optoelektronik und Photonik, Augenoptik, Meteorologie, uvm.

Vorkenntnisse:

Erforderlich ist kein besonderes Vorwissen, allerdings ermöglichen manche der angegebenen Querbezüge ein tieferes Verständnis, welches sich erst mit Vorkenntnissen aus einigen Grundlagenfächern der Physik, insbesondere des Elektromagnetismus, der Festkörperphysik sowie der Quantenphysik vollständig erschließt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Es soll zunächst ein Überblick über die Optik gegeben werden mit ihren verschiedenen Ansätzen der Beschreibungen und mathematischen Modellierung. Viele dieser Themen werden in den spezialisierten Folgekapiteln wieder aufgegriffen. Insbesondere geht es um eine Begriffsbestimmung von Sehen und Licht, die Beschreibung von Licht als elektromagnetische Welle (EM Welle), die Einordnung EM Wellen als besondere Lösungen der das Gesamtgebiet des Elektromagnetismus beschreibenden Maxwell-Gleichungen, die Wellen charakterisierende Größen Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Unterscheidung verschiedener Wellentypen aufgrund der Geometrie ihrer Phasenflächen, die Unterscheidung zwischen Longitudinal- oder Transversalwellen sowie die Polarisation, die Ausbreitung von EM-Wellen in Materie und den Brechungsgindex, den Energietransport von Licht im Wellenbild, beschrieben durch den Poyntingvektor, die Beschreibung von Licht als Teilchen, d.h. Photonen, die Photonen charakterisierenden Größen Energie und Impuls, die Unterteilung der Modellierung der Phänomene durch geometrische Optik oder Wellenoptik, das Fermat´sche Prinzip als Grundprinzip der geometrischen Optik, das Huygens´sche Prinzip als Grundprinzip der Wellenoptik und die klassische Begründung der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch beschleunigte Ladungen.
Michael Vollmer
2. Geometrische Optik
Zusammenfassung
Es geht in diesem Kapitel um optische Phänomene, die sich gut mit dem Modell der geometrischen Optik beschreiben lassen, insbesondere um sich geradlinig ausbreitende Lichtstrahlen, Reflexion und Brechung an Grenzflächen sowie Totalreflexion, um die Konsequenzen der Dispersion, die Anwendung von Prismen zur Umlenkung und spektralen Aufspaltung des Lichts, die Konstruktion und Berechnung optischer Abbildungen an ebenen und Wölbspiegeln, die Anwendungen von Spiegeln, um Konstruktion und Berechnung optischer Abbildungen an dünnen, vor allem sphärischen Linsen und die Vorzeichenkonventionen der Optik, um Abbildungsfehler sphärischer Linsen, die Konstruktion und Berechnung von Linsenkombinationen, die Behandlung von realen, dicken Linsen und speziellen Linsentypen, um einfache optische Geräte incl. Lichtleiter, die Funktion von Blenden in optischen Systemen sowie weiterführende Methoden und Optiksoftware.
Michael Vollmer
3. Wellenoptik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um optische Phänomene und optische Eigenschaften der Materie, die sich nur mit dem Wellenmodell des Lichts erklären lassen, insbesondere geht es um die Beschreibung von Licht als ebene elektromagnetische Welle, ein klassisches mikroskopisches Modell der Wechselwirkung von Licht mit Materie und den frequenzabhängigen komplexen Brechungsindex, unterschiedliche optische Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten, dielektrischen Festkörpern und Metallen, die lineare Polarisation von Licht und den Brewsterwinkel, Reflexion und Transmission an Grenzflächen als Funktion des Einfallwinkels, optisch anisotrope Materialien, Doppelbrechung und zirkulare Polarisation, evaneszente Wellen bei Totalreflexion, wellenoptische Phänomene und Modenstruktur in Lichtleitfasern, Interferenz von Licht, Zweistrahlinterferenz am Doppelspalt und in Zweistrahlinterferometern, Vielstrahlinterferenz und optische Gitter, dielektrische Beschichtungen, Vielstrahlinterferenz einer kontinuierlichen Verteilung von Wellen, Beugung am Spalt, Steg und beliebig geformten Blenden, Interferenzfähigkeit von Wellen hinsichtlich zeitlicher und räumlicher Kohärenz, Bildentstehungstheorie, endliches Auflösungsvermögen optischer Instrumente und räumliches Filtern.
Michael Vollmer
4. Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Quantenoptik
Zusammenfassung
Es geht in diesem Kapitel um eine qualitative Beschreibung der mikroskopischen Struktur der Materie und deren Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung, basierend auf quantitativen Erkenntnissen der Quantenmechanik, insbesondere um Quanteneigenschaften von Strahlung und Materie, den Welle-Teilchen Dualismus, diskrete elektronische Energieniveaus in Atomen, diskrete elektronische, vibratorische und rotatorische Energieniveaus in Molekülen, Ausbildung von Energiebändern in Festkörpern, Absorption und Emission von Strahlung durch Atome, Moleküle und Festkörper bei resonanten Übergängen sowie Streuprozesse von Strahlung durch Materie bei nichtresonanten Übergängen. Zu letzteren zählen Rayleigh-Streuung, Raman-Streuung und Mie-Streuung.
Michael Vollmer
5. Detektoren und Lichtquellen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um die Unterteilung von Detektoren nach dem Detektionsprinzip, den Nachweis von Licht mit thermischen Detektoren, fotoelektrische Detektoren, die Nutzung von Einzeldetektoren in Spektrometern, die Unterscheidung von kalibrierten zu den üblich unkalibrierten Detektoren, die Nutzung von flächenhaften Detektoren in Kameras, die Unterteilung von Lichtquellen nach dem Entstehungsprinzip, Temperaturstrahler, Gasentladungen, Leuchtdioden, Laser sowie Laserstrahlen und Augensicherheit.
Michael Vollmer
6. Visuelle Wahrnehmung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um das menschliche Auge und unsere Wahrnehmung von Helligkeit und Farbe, Grundbegriffe der Radiometrie mit objektiven Detektoren, Fotometrie bei Detektion mit dem Auge, die Lichtausbeute/Effizienz von Lichtquellen, den Aufbau des Auges und die vier verschiedenen Sehzellen, die einfache Beschreibung wahrgenommener Farben durch drei Parameter, additive Farbmischung, Experimente zur Quantifizierung von Farbe, Spektralwerte und Normspektralwerte, Farbmetriken wie z. B. das (x,y) System der CIE von 1931, subtraktive Farbmischung sowie Erklärung wahrgenommener Farben in unserer Umwelt.
Michael Vollmer
7. Licht und die Atmosphäre der Erde
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um die Zusammensetzung der Atmosphäre der Erde, insbesondere um gasförmige Bestandteile mit und ohne Wasserdampf, Wassertropfen und deren Entstehung, Eiskristalle und deren Entstehung, Aerosole, den vertikalen Aufbau der Atmosphäre mit Druck- und Temperaturverläufen, einen Überblick über mögliche Wechselwirkungsprozesse mit Licht und die Klassifikation der daraus entstehenden einzelnen Phänomene atmosphärischer Optik.
Michael Vollmer
8. Luftspiegelungen: Oasen, Seeungeheuer und weitere Spielereien der Fata Morgana
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um das Entstehen nichtgeradliniger Lichtausbreitung in der Atmosphäre, welche zu Luftspiegelungen führt, insbesondere um, die astronomische Refraktion, d. h. Lichtablenkung von Sternenlicht, das Flimmern der Sterne durch Luftunruhe, den Unterschied entsprechender physikalischer Phänomene zu Wahrnehmungstäuschungen, das Entstehen und die Beobachtung unterer Luftspiegelungen, das Entstehen und die Beobachtung oberer und komplexer Luftspiegelungen, die quantitative Beschreibung von Luftspiegelungen durch analytische Modelle und Strahlverfolgung sowie einfache Experimente zur Visualisierung und Vermessung derartiger Phänomene.
Michael Vollmer
9. Regenbögen
Zusammenfassung
Es geht in diesem Kapitel um das Naturphänomen Regenbogen insbesondere um die Kulturgeschichte des Regenbogens, eine Zusammenstellung verschiedener qualitativer und quantitativer Aspekte bei Beobachtungen, eine quantitative Beschreibung mit Hilfe der geometrischen Optik, notwendige Erweiterungen der Beschreibung durch Aspekte der Wellenoptik, einfach durchführbare Heim- und/oder Laborexperimente sowie eine kurze Übersicht der Wissenschaftsgeschichte zum Regenbogen.
Michael Vollmer
10. Koronen, Glorien und verwandte Erscheinungen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um die zumeist kreissymmetrischen farbigen Ringsysteme bei Vorwärtsstreuung (Koronen) und Rückwärtsstreuung (Glorien) von Licht an Wassertropfen, insbesondere um eine Beschreibung der Naturbeobachtungen, einige kulturgeschichtliche Bezüge, einfache Modelle zur Erklärung durch Beugung an 2-dimensionalen Kreisblenden bzw. Kreisringen, Erklärung durch Streuung an 3-dimensionalen Wassertropfen mit Hilfe der Mie-Theorie, Besonderheiten der Phänomene, z. B. durch Tropfengrößenverteilungen und andere streuende Objekte sowie einfache Experimente zu Verständnis und Visualisierung der Phänomene.
Michael Vollmer
11. Haloerscheinungen am Himmel: Natürliche Ursache oder göttliche Warnung?
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um Halos, die vielfältigen weißen und farbigen Lichterscheinungen am Himmel, die durch Eiskristalle verursacht werden, insbesondere um eine Beschreibung der Naturbeobachtungen, einige kulturgeschichtliche Bezüge, eine Beschreibung der verursachenden Kristallformen und Beobachtungsgeometrien, eine Erklärung der bekanntesten Haloerscheinungen, einen Überblick über in mittleren Breiten häufig beobachtbare Halos, Beschreibung durch Computersimulationen sowie einfache Experimente zum Verständnis und der Visualisierung der Phänomene.
Michael Vollmer
12. Lichtstreuung und Himmelsfarben
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um Lichtstreuung an den Bestandteilen der Atmosphäre und deren Konsequenzen für Polarisation und Farbe, insbesondere um Eigenschaften einer molekularen Atmosphäre aufgrund von Rayleighstreuung, die blaue Farbe und Polarisation der Himmelsstrahlung, die Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre, das Konzept der optischen Dicke und Air Mass, den weißen Horizont und blaue Berge, Mie-Streuung an Aerosolen und Wassertropfen, Farben von Sonne, Mond und Himmel während der Dämmerung, weiße und farbige Wolken sowie Experimente zum Verständnis und der Visualisierung der Streuprozesse.
Michael Vollmer
13. Weitere Phänomene aufgrund von Lichtstreuung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um weitere wesentlich durch Lichtstreuung verursachte Phänomene, insbesondere um Sichtweiten in der Atmosphäre aufgrund von Geometrie, Refraktion, Wahrnehmungsphysiologie und Streuprozessen in der Atmosphäre, die Einschränkung der Beobachtbarkeit atmosphärisch optischer Phänomene durch Streuung, Farben von Süß- und Salzwasser ohne und mit Hydrosolen und die Bestimmung von Sichtweiten in Flüssigkeiten, das legendenumwobene grüne Leuchten von Sonne und Planeten, den Heiligenschein und sogenannten Opposition-Effekt sowie beobachtbare Licht- und Schattenstrahlbündel in der Atmosphäre.
Michael Vollmer
14. Bis in die Stratosphäre und darüber hinaus
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um optische Phänomene, die von der Troposphäre ausgehend bis weit darüber hinaus auftreten, insbesondere um Blitze in Tropo- und Stratosphäre, stratosphärische Wolken, Entstehung und Beobachtungsmöglichkeiten von Polarlichtern, Ursache der Lichterscheinungen bei Kometen und Meteoren, die Beobachtung künstlicher Himmelskörper, die Vielfalt von Finsternissen im Sonnensystem, allen voran Sonnen- und Mondfinsternisse und deren beobachtbare Phänomene, einen Ausblick auf zukünftige Finsternisse, Transits von Planeten, Monden, Raumsonden und Exoplaneten, die Sichtweite am Nachthimmel bei Sternbeobachtungen mit dem Auge, aber auch mit Kameras im nahen Infrarot, die wahrnehmbaren Farben von Planeten, Monden und Sternen sowie die fundamentale kosmologische Frage, wieso der Himmel nachts dunkel ist.
Michael Vollmer
Backmatter
Metadaten
Titel
Optik und ihre Phänomene
verfasst von
Michael Vollmer
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-69309-4
Print ISBN
978-3-662-69308-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-69309-4