Kinderwissenschaftsshow "Das Wunder Licht" (Foto: Dr. Fuchs, IAP)

OptoNet veranstaltet Kinderwissenschaftsshow zur Langen Nacht der Wissenschaften in Jena

Unzählige Wasserlinsen, 100 selbstgebaute Kameras, Hunderte eingescannte Besucherhände, 4 Durchläufe der Kinderwissenschaftsshow -  das ist unsere Bilanz der “Langen Nacht der Wissenschaften”, die gestern (13.11.2009) in Jena mehr als 10.000 Besucher in ihren Bann zog.

OptoNet hatte gemeinsam mit weiteren Partnern das Abbe-Zentrum zur “Kinderinsel” erklärt und präsentierte neben der Kinderwissenschaftsshow “Das Wunder Licht”, einen Stationenpark zum Basteln und Experimentieren.

Schon im Eingangsbereich, wo sich teilweise lange Schlangen am Kartenverkauf bildeten, konnten die Besucher mit dem Licht auf Hautkontakt gehen. An einer Installation von yourarewatchingus mit mehreren Scannern konnten Hände, Gesichter und mitgebrachte Gegenstände eingescannt und in Sekundenschnelle projiziert werden.

Wasserlinsen und Zauberbrille
Unsere erste Station war den ganz kleinen Besuchern gewidmet, die in unerwartet hoher Zahl auf den Beutenberg gekommen waren. Am gut gefüllten Planschbecken konnten Wasserlinsen gebaut und andere optische Phänomene ausprobiert werden. Aus Plastikflaschen wurden kleine Mikroskope und mit Pappe und Haushaltsfolie entstanden handliche Linsen. Dass man mit Licht auch um die  Ecke schauen kann, verblüffte nicht nur die kleinen sondern auch großen Gäste, die mit der “Zauberbrille” auf dem Kopf einen Text in Spiegelschrift zu entziffern versuchten.

Können Schweine fliegen?
Ein “unfassbarer” optischer Effekt erstaunte die Besucher gleich nebenan:  Der Zauberspiegel besteht aus zwei gleichen Hohlspiegeln, die umgekehrt aufeinander gesetzt sind. In der Mitte des oberen Spiegels ist ein Loch und in der Mitte des unteren liegt ein kleiner Gegenstand – in unserem Fall ein kleines Schweinchen. Das rosa Tier erscheint als seitenrichtiges, 3-dimensionales Bild über der Öffnung. Wenn man danach greift, merkt man mit einem Schauern, dass es sich um ein perfektes Hologramm handelt.

Kann Licht Dunkelheit erzeugen?
Die nächste Station wurde von Hannes betreut, einem Studenten des Studienganges Laser- und Optotechnologien an der Fachhochschule Jena. Mit Hilfe eines Holzbaukastens hatte Hannes ein Interferometer gebaut. Interferometer werden für die Feststellung von Interferenzen (Überlagerungen von Lichtwellen) für Präzisionsmessungen genutzt. Einsatzfelder sind die Längenmessung, die Brechzahlmessung, die Winkelmessung und die Spektroskopie.

Kann ein Lichtstrahl zerbrechen?
Wie genau das Licht in seine Bahnen gelenkt wird, konnten die Besucher an der nächsten Station ausprobieren. Mit Hilfe eines Lasers und verschiedenen Linsen, Prismen und Spiegeln wurden Brechungsgesetz und Brechungswinkel anschaulich gemacht. Jeder konnte selbst ausprobieren, wie Kurz- und Weitsichtigkeit korrigiert werden können oder wie eine Kameralinse funktioniert.

Vorsicht, Spannung!
Licht, das ist nicht nur Helligkeit. Es gibt noch viele andere Eigenschaften des Lichts, viele davon sind auch für unser Auge nicht zu erkennen. Aber mit Spezialfolien, z.B. den Polarisationsfolien kann man sie sichtbar machen. Sie lassen nur Licht mit ganz bestimmten Eigenschaften hindurch, den Rest des Lichtes sperren sie aus. An der Experimentierstation konnte man so Spannungen in Kunststoffmaterialien aufspüren: in Brillengläsern, CD-Hüllen oder Linealen.

Achtung Kamera!
An unserer letzten Station war schließlich das Basteltalent der Schulkinder gefragt. Frau Budenz von den Buchkindern Weimar und Studenten der Fachhochschule bauten gemeinsam mit den Besuchern eine Camera obscura. Hinter diesem geheimnisvollen Namen verbirgt sich eine sogenannte Lochkamera, mit der man – ganz ohne Linsen und aufwändige Optik – Fotos schiessen kann. Jeder, der sein Modell erfolgreich gefalzt, geschnitten und zusammengeklebt hatte, konnte gleich ein Foto machen und in der eigens eingerichteten Dunkelkammer entwickeln lassen.

Die Show zum Licht
Einmal pro Stunde ging im Stationenpark jedoch das Licht aus! Dann hieß es “Bühne frei” für unsere kleine Kinderwissenschaftsshow, die von Friedemann vom Kinderzirkus MoMoLo moderiert wurde. Den ganzen Abend über hatten Kinder ihre Fragen zum Licht an eine große Tafel geschrieben: Wie entstehen Farben? Kann man Licht anfassen? Wie schnell ist Licht?. In der Show galt es nun, die Antworten darauf zu finden. Nach einer kurzen Showeinlage mit leuchtenden LED-Kugeln, begrüßte  Friedemann die prominenten Gäste: einen Doktor der Physik, Klaus Schindler, und einen Professor für Optik, Herrn Fleck. Beide standen Rede und Anwort und erläuterten verständlich alle Lichtphänomene. Prof. Fleck hatte sogar noch etwas mitgebracht: eine Musikmaschine, mit der man mit Hilfe von Laserlicht Musik übertragen kann. Die Showgäste konnten dies mit ihren mitgebrachten MP3-Playern gleich ausprobieren und mit einem Kamm zusätzliche “Klangeffekte” erzeugen. In jeder guten Show gibt es natürlich auch etwas zu gewinnen! Jeweils vier Kinder versuchten mit leuchtenden LED-Lämpchen auf eine magnetische Zielscheibe zu treffen. Die geschicktesten freuten sich über einen Experimentierkoffer zum Thema Optik.

Wir danken allen Besuchern für ihre Neugier! Uns hat der Abend viel Spaß gemacht. Gedankt sei auch allen Beteiligten, die mit Ideen, Ausdauer und Engagement bei der Sache waren.

Die Veranstaltung fand statt im Rahmen des Aktionsjahres “Forschungsexpedition Deutschland” des BMBF. Unter dem Motto “Zukunft Licht” ist Jena einer der zehn “Treffpunkte der Wissenschaft”, die von der Robert-Bosch-Stiftung und dem Deutschen Städtetag gefördert werden.

Hier ein paar Impressionen des Abends:

Claudia unterstützt eine kleine Besucherin beim Bau einer Camera obscura

Hannes erklärt sein Interferometer

Peggy zeigt den Kindern, wie man aus einer Plastikflasche ein Mikroskop bauen kann

Hunderte Wasserlinsen wurden gebaut

Ich sehe was, was du nicht siehst

Professor Fleck erklärt in der Kinderwissenschaftsshow “Das Wunder Licht” seine geheimnisvolle Musikmaschine

Friedemann sammelt die “Lichtfragen” der Kinder ein

Die Besucher lauschen neugierig den Erklärungen der “Lichtexperten”

Kleine Forscher ganz müde am Ende einer langen Nacht

Wir danken Herrn Richter von der Jenoptik AG Jena und Herrn Dr. Wagner vom Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin für ihre Beiträge zu diesem Thema.

In der Regel wird der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen ca. 380nm und 780nm als Licht benannt (siehe Abb.1). Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichtes. Dies ermöglicht eine Übertragung der Erkenntnisse der klassischen Optik auf andere Spektralbereiche wie Röntgenstrahlung bis hin zu Mikro- und Funkwellen.           Abb. 1

Die klassische Optik besteht aus einem Problemfeld: die Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik, welche für den Fall gelten, dass die Abmessungen des optischen Systems sehr groß gegenüber der Wellenlänge des Lichtes sind.

Geometrische Optik:

Die geometrische Optik auch Strahlenoptik genannt, ist eine Näherung der Optik, in der die Welleneigenschaften des Lichtes keine Rolle spielen. Dies ist so, weil in der geometrischen Optik die wechselwirkenden Strukturen (Spiegel, Linsen, …) im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes zu groß sind. In der geometrischen Optik wird das Licht nicht als Welle, sondern als aus Lichtstrahlen zusammengesetzt betrachtet. Lichtstrahlen sind die Wellennormale, die senkrecht auf den Wellenfronten der Lichtwelle stehen. Diese Lichtstrahlen werden von einer Lichtquelle oder diffus  reflektierenden Objekt ausgesendet, welche dann wieder reflektiert, gebrochen oder aufgespalten werden (siehe Abb.2).

Diese Lichtstrahlen folgen dem Gesetz des Superpositionsgesetzes, d.h., die Strahlen können sich gegenseitig durchdringen ohne miteinander wechselzuwirken.                             Abb.2

In homogenen Medien breitet sich das Licht geradlinig aus. Es richtet sich nach dem Fermat‘schen Prinzip. Das Fermat‘sche Prinzip besagt, dass sich Lichtstrahlen sich im Medium immer den schnellsten Weg von einem Punkt zum anderen suchen und nehmen. An Den Grenzflächen zweier Medien gilt das Reflexionsgestz, Einfalls- gleich Reflektionswinkel, und das Snelliussche Brechungsgesetz, dass das Licht zum optisch dichteren Medium hin in Richtung des Lotes bricht. In inhomogenen Medien durchläuft das Licht das Medium in Abhängigkeit von der Brechzahl.

Mathematisch lässt sich das Fermat’sche Prinzip folgender weise erklären: Das Licht durchläuft in einem Medium mit der Brechzahl    zwischen den Punkten und von allen denkbaren Bahnen durch diese Punkte die Bahn, deren Laufzeit minimal, genauer stationär, ist. Die Größe τ hat die Bedeutung der Lichtlaufzeit zwischen beiden Punkten. Denn die Brechzahl ist an jedem Ort das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit c zur dortigen Lichtgeschwindigkeit v im Medium,

An einer verspiegelten Fläche werden die Lichtstrahlen reflektiert, wogegen sie an Grenzflächen zweier Medien mit verschiedener Brechzahl nach dem Snelliussche Brechungsgesetz gebrochen werden und partiell reflektiert werden ( somit in zwei Strahlen aufgespalten werden), oder total reflektiert werden. Dieser Lichtstrahl kann durch Doppelbrechung auch aufgespalten werden.       Abb.3

Das Snelliussche Brechungsgesetz besagt, dass wenn ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium in ein anderes mit einer anderen Phasengeschwindigkeit die Richtung ändert – man sagt: ,,er wird gebrochen‘‘. Dieses Gesetz gilt für alle Wellenarten.

Abb. 3 zeigt das Einfallen eines Lichtstrahles in von Medium₁ in Medium₂, er ist dabei geneigt und zwar gegen das Einfallslot um den Winkel δ₁. Ein Teil wird reflektiert und der Rest wird gebrochen und läuft unter dem Winkel δ₂ gegen das Lot weiter. Diesen Vorgang beschreibt dieses Gesetz.

Probleme, die die geometrische Optik nicht beschreiben kann sind z.B. Interferenz, Polarisation, Beugung, …

Ein wichtiger Vertreter der Technischen Optik war Ernst Abbe. Er hat sich mit dem Auflösungsvermögen von Mikroskopen und Linsen befasst und ist zu folgender Erkenntnis gelangt:             wobei in dieser Gleichung das λ für die Wellenlänge, das n für die Brechzahl und das α für den halben Öffnungswinkel des Objektives steht.

Das Infrarot im Spektralbereich mit einer Wellenlänge λ von ca. 780 nm bis 1mm, d.h. es schließt sich direkt dem sichtbaren Bereich an und ist somit langwelliger als dieser und es wird von den Mikrowellen begrenzt. Es wird in drei Abschnitte geteilt: Nahes-, Mittleres- und Fernes-Infrarot. Viele bekannte Physiker, wie Max Planck oder auch Wilhelm Wien beschäftigten sich mit der Infrarotstrahlung und versuchten Formeln zur Berechnung verschiedenster Größen, wie Abhängigkeiten der Wellenlängen, Energie und Temperaturen zu bestimmen.

Das Rayleigh-Jeans-Gesetz liefert zwar brauchbare Werte für hohe Temperaturen und große Wellenlängen, aber bei kleinen Wellenlängen versagen seine Werte.

Das wiensche Strahlungsgesetz hingegen gibt gute Messwerte bei großen Wellenlängen und somit großen Frequenzen an. Jedoch sagt seine Formel eine begrenzte Strahlungsstärke für steigende Temperaturen voraus. Dies widerspricht den Beobachtungen von Jeans.

Im Jahr 1900 korrigierte Max Planck diesen Fehler. Er entwickelte das Plancksche Strahlungsgesetz, welches als Geburtsstunde der Quantenphysik bezeichnet wird und die beiden vorherigen Ausführungen zusammenfasst. Hierbei werden die Messergebnisse in sehr guter Form beschrieben. Bereits am 14.Dezember 1900 konnte er eine theoretische Herleitung des Strahlungsgesetzes geben. Dazu musste er allerdings die von ihm bisher abgelehnt statistische Mechanik des österreichischen Physikers Ludwig Boltzmann verwenden.

Die abgestrahlte Energie eines Körpers hängt von der Temperatur ab. Nach Stefan-Boltzmann lässt sich die Strahlungsleistung mit :

P= б*A*T^ 4. (б…Stefan-Boltzmann-Konstante (Sigma))

messen.

Mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz lässt sich die Oberflächentemperatur eines Körpers bestimmen. Die Intensität der von dem Körper ausgehenden Strahlung wird gemessen. Die Strahlungsintensität des schwarzen Körpers wächst mit der vierten Potenz der Temperatur.

Wie hängt die elektromagnetische Strahlung, die ein schwarzer Körper im thermodynamischen Gleichgewicht abstrahlt, von der Frequenz der Strahlung und der Temperatur des Körpers ab?

E= h*f = h*c/ λ (f…Frequenz, h…Plancksches Wirkungsquantum)

Mit dieser Formel wir die Energie des Lichtes berechnet. Verdoppelt sich beispielsweise die Wellenlänge, so halbiert sich die Energie.

Ursachen für das elektrische Feld:

Ein elektrisches Feld ist ein Raum um einen elektrisch geladenen Körper, in dem auf andere elektrisch geladene Körper Kräfte ausgeübt werden. Durch Ladungsträgerunterschiede in der p- und n-Schicht entsteht eine Spannung.

von Franziska Dzial und Desirèe Langer

ΔE Silizium ® 1,12 eV
ΔE Germanium ® 0,72 eV
ΔE Galliumarsenid ® 1,43 eV

Die Eigenleitung von Halbleitern kommt dadurch zustande, dass durch Temperatur, Licht oder Verunreinigungen Elektronen aus dem vollbesetzten Valenzband in das noch leere Leitungsband angeregt werden, wo sie sich unter Einfluss eines elektrischen Feldes wie fast freie Elektronen bewegen und zum elektrischen Stromfluss beitragen (n-Leitung). Gleichzeitig bleibt im Valenzband ein so genanntes Loch mit positiver elektrischer Ladung übrig, das sich in Gegenrichtung bewegt (p-Leitung).

Halbleiterwerkstoffe bilden Kristalle aus. Kristalle besitzen unterschiedliche Strukturen. Sie können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein. Wenn die Form und die Flächen seinem Gitterbau entsprechen spricht man von Einkristallen. Sind die Kristalle jedoch durch mehrere Kristalle aufgebaut, spricht man von polykristallinen Stoffen.

Diese Kristalle werden unter anderem im Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin gezüchtet. Um monokristallines Silizium herzustellen gibt es hauptsächlich zwei Verfahren die in der Technik Anwendung finden. Das sind zum einen das sogenannte Czochralski-Verfahren (links) und das Zonenschmelzverfahren (rechts).

Halbleiter werden auch genutzt für die Optik einer IR-Kamera. Für Linsen muss ein Material verwendet werden, dass für die entsprechenden Strahlung durchlässig (transmissiv) ist:

Vollständig durchlässig sind die Halbleitermaterialien für die Infrarotstrahlung jedoch nicht. An ihnen treten auch kleine Reflexionen auf. Um das zu verhindern wird eine Anti-Reflexschicht Schicht aus Diamant auf der Linse aufgetragen.

Quellen:

http://rmico.com/technical-notes/zns-cleartran-sapphire-spinel#sapphire
http://rmico.com/technical-notes/bk7-quartz-ge-si#si
http://rmico.com/technical-notes/mgf2-caf2-uvfs-irfs#calcium-fluoride
http://rmico.com/technical-notes/baf2-znse-amtir-gaas#baf2
http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/bohmayr/img12.gif
http://www.et.hs-mannheim.de/kni/pvr/pv/halbleiter/sv12112169.jpg
http://www-tet.ee.tu-berlin.de/lehre/Grundlagen-ET-2/folie003.png
http://www-tet.ee.tu-berlin.de/lehre/Grundlagen-ET-2/folie004.png

In der Infrarottechnik werden optische Gläser verwendet, welche für die IR-Strahlung durchlässig sind: zum Beispiel Saphir und Silicium.

Typische Einsatzgebiete der IR-Kamera sind im militärischen Bereich ( beispielsweise Nachtsichgeräte),  in der Industrie ( Produktentwicklung), Energiewirtschaft, Energieleitungsverluste, Bauwesen, Rohrleitungen, Chemie, Forschung und Medizin aber auch Die Überwachung und Sicherheit (ziviler Bereich – Polizei sucht vermisste).

Die Temperatur spielt eine große Rolle, da wir sie als Indikator für die Strömung der Flüssigkeit nutzen. Die Temperatur wirkt als Marker bzw. Tacer der Bewegung.

Norbert Schenkl

Ich finds super!
Antje