Optik

500 Pages·1997·15.48 MB·German

by  Professor Dr. Stephen G. Lipson

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Stephen G. Lipson
Henry S. Lipson
David S. Tannhauser
Optik
Übersetzt von H olger Becker
Mit 332 meist zwei farbigen Abbildungen,
125 Aufgaben und vollständigen Lösungen
Springer
Professor Dr. Stephen G. Lipson
Professor Dr. David S. Tannhauser
Department of Physics
Technicon-Israel Institute of Technology
Haifa, Israel
Professor Dr. Henry S. Lipson t
Übersetzer
Dr. Holger Becker
Zeneca SmithKline Centre for Analytical Sciences
Department of Chemistry
SW7 2AY South Kensington, London, United Kingdom
Titel der englischen Originalausgabe:
Optical Physics, 3rd Edition. © Cambridge University Press 1995
ISBN 978-3-540-61912-3
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Lipson, Stephen G.: Optik:
125 Aufgaben und vollständige Lösungen / Stephen G. Lipson; Henry S. Lipson;
David S. Tannhauser.
Aus dem Eng!. übers. von Holger Becker.
-Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa
Clara; Singapur; Tokio: Springer. 1997
(Springer-Lehrbuch)
Einheitssacht. : Optical physics <dt.>
ISBN 978-3-540-61912-3 ISBN 978-3-642-59053-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-59053-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
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dermann benutzt werden dürften.
Umschlagabbildung: Photo eines anisotropen Kristalls in zirkular polarisiertem Licht, aufgenom
men mit einem Polarisationsmikroskop. Mit freundlicher Genehmigung der Carl Zeiss Jena GmbH
(Deutschland)
Herstellung: Claus-Dieter Bachern und Petra Treiber, Heidelberg
Redaktion: Antje Endemann, Heidelberg
Datenkonvertierung und Umbruch in IMJ3X2e: Thomas Schmidt, Leipzig
Layout und Zeichnungen: Schreiber VIS, Seeheim
Einbandgestaltung: Meta-Design, Berlin
SPIN: 10532732 56/3144 -5 4 3 2 I 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Henry S. Lipson, der Seniorautor des vorliegenden Lehrbuches, starb tiber
raschend am 26. April 1991, kurz nachdem der Verlag eine dritte Ausgabe
dieses Buches vorgeschlagen hatte. Henrys groBes Interesse an physika
lischer Optik, speziell an Fraunhoferscher Beugung, entstammte seiner
Forschung auf dem Gebiet der Rontgenkristallographie, auf dem er einer
der Pioniere war.
Er erhielt 1930 seinen B. Sc. (Bachelor of Science) in Physik von der
Universitat Liverpool und erganzte sein Studium durch Forschungen auf
dem Gebiet der Strukturbestimmung von Kristallen, was zu einer engen
Freundschaft mit W. L. Bragg ftihrte, der auf den Rest seiner Karriere einen
starken EinfluB haben sollte. Zusammen mit A. Beevers bestimmte er zum
ersten Mal die Struktur eines komplexen Kristalls CUS04' 5 H20, der nur
minimale Symmetrie besitzt, wobei sie die Fourier-Synthese mit geschickt
geratenen Phasen verwendeten. Diese Arbeit ftihrte zu ihrer Entwicklung
der Fourier-Streifen, einer Berechnungsmethode, die bei Arbeiten zur Kri-
stallstrukturforschung etwa 30 Jahre lang benutzt wurde, bis sie durch
elektronische Computer iiberfiiissig gemacht wurde.
1945 wurde er zum Dekan des Physik-Departments des Manchester
College of Technology emannt und wurde Physikprofessor, als das College
zur University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST)
umgewandelt wurde. Diese Stellung behielt er bis zu seiner Pensionierung
bei.
Die Analogie zwischen Rontgenbeugung und der optischen Beugung
fiihrte Henry seit 1948 zu Bemiihungen, mit Hilfe optischer Beugungsphii
nomene die Fourier-Synthese zu simulieren und auf diese Weise die
Kristallstruktur zu bestimmen. Ein spezielles Problem, das mit dieser Me
thode zugiinglich wurde, war das der Ubergitter bei Legierungen. Es war
diese Art Probleme, die 1966 den Ursprung dieses Buches darstellten.
Henry wird von seiner Frau Jenny, der die ersten beiden Ausgaben
gewidmet waren, von zweien seiner drei Kinder und sieben Enkeln iiberlebt.
Diese Ausgabe von "Optical Physics" ist seinem Andenken gewidmet.
Vorwort
zur deutschen Obersetzung
Wir sind sehr erfreut dariiber, daB sich der Springer-Verlag entschlossen
hat, dieses Buch ins Deutsche zu iibersetzen und hoffen, daB die Leser es
anregend finden werden.
Wir haben die Gelegenheit genutzt, urn einige Fehler und Mehrdeutig
keiten, die in der dritten englischen Ausgabe noch enthalten waren oder sich
darin eingeschlichen hatten, zu korrigieren, und mochten dem Ubersetzer,
Dr. H. Becker, und dem Springer-Verlag, insbesondere Frau A. Endemann,
dafiir danken, daB sie uns auf einige davon aufmerksam gemacht haben.
Wir mochten den Mitarbeitern des Springer-Verlags auch fiir ihre Geduld
und das Eingehen auf unsere Wiinsche danken.
Wir haben erfreut festgesteUt, daB die Uberarbeitung der Abbildungen,
die fiir diese Ausgabe notwendig wurde, aufs sachverstandigste ausgefiihrt
wurde und daB die Lange der deutschen Satze im allgemeinen kUrzer ist
als bei der englischen Ausgabe. Wir hoffen, daB diese beiden Punkte zur
Klarheit des Buches beitragen werden.
Die Ubungsaufgaben erscheinen hier am jeweiligen Kapitelende, aber
wir mochten darauf hinweisen, daB zahlreiche davon in dem Sinne "glo
bal" sind, daB sie Konzepte von verschiedenen, moglicherweise sogar spater
folgenden Kapiteln des Buches verwenden. Die Losungen der Dbungsauf
gaben sind in diese Ausgabe mit aufgenommen worden, und wir mochten
hier Dr. Erez Ribak fiir seine Hilfe bei der Erstellung danken. Einige der
Aufgaben haben sich als schwieriger herausgestellt, als wir zunachst an
genommen haben, und die Antworten sind dementsprechend lang. Wir
haben versucht, die zugrundeliegenden physikalischen Konzepte so weit
wie moglich zu betonen, moglicherweise zu Lasten mathematischer Ex
aktheit. Wir haben keine Details zu den Rechenmethoden, die wir zu
numerischen Lasungen verwandt haben, angegeben; einige wurden mit
Hilfe des Programms "Mathematica" berechnet. In den wenigen Fallen,
in denen die Lasung aus der direkten Anwendung einer Formel aus dem
Text besteht, haben wir nur die Antwort angegeben. Wir sind sicher,
daB auch weiterhin Fehler oder Unklarheiten im Buch vorkommen, und
sind Lesern dankbar, wenn sie uns darauf per Post oder Email hinweisen
(phr22sl @physics.technion.ac.il, phr07 [email protected]).
Haifa, Mai 1997 s. G.Lipson
D. S. Tannhauser
Vorwort
zur dritten englischen Auflage
Die Aufforderung des Verlags, "Optical Physics" fUr eine dritte Auflage zu
tiberarbeiten, hat uns sehr errnutigt. Die Aufforderung beinhaltete aber auch
viel mehr Arbeit, als wir vorhergesehen hatten; auf der einen Seite wurden
wir speziell danach gefragt, die Behandlung der geometrischen Optik, der
Faseroptik und der Quantenoptik zu vertiefen, auf der anderen Seite sollte
der Umfang des Buches nicht zunehmen. Dazu bedurfte es offensichtlich
einer Neufassung der restlichen Kapitel des Buches. Speziell die Nachfrage
nach den letzten beiden Themengebieten haben wir begriiBt. Sowohl die
Faseroptik als auch die Quantenoptik haben im letzten lahrzehnt groBe
Fortschritte gemacht, und ein grundsatzliches Verstandnis von beiden ist
nicht nur fUr Spezialisten, sondern fUr jeden Studenten der Physik wichtig.
Da wir keine Mathematiker sind, hoffen wir, daB unser Zugang zu diesen
Themengebieten - in Analogie zu wohlbekannten, gelOsten Problemen aus
der Quantenmechanik - bei dem Teil unserer Leserschaft Anklang tindet,
dem es ebenso geht. Wir haben bei der Bearbeitung der beiden Gebiete mit
Sicherheit viel gelernt. Wir haben beschlossen, die geometrische Optik in
einer praxisnahen Formulierung darzustellen, von der wir hoffen, daB sie
dadurch fUr Studenten, die heutzutage sicheren Umgang mit Computern
haben, attraktiv wird. Wir haben uns dabei hauptsachlich auf die GauBsche
Optik beschrankt, die fUr einen Physiker im allgemeinen den meisten Nutzen
bringt.
Wir haben die vorangegangenen Auflagen dieses Buches seit mehr als
einem lahrzehnt als Grundlage zweier Vorlesungen verwendet. Eine da
von ist ein Kurs wahrend des Grundstudiums, der als Voraussetzungen ein
Abiturwissen in Optik sowie elementare Kenntnisse der Wellentheorie und
Quantenmechanik erfordert. Diese Vorlesung behandelt das meiste aus den
Kapiteln 3, 4, 7, 8,9, 11 und 12. Wir haben auch einen Hauptstudiumskurs
in fortgeschrittenen optischen Problemen gehalten, der unter anderem die
Kapitel 6, 10, 13 und 14 abdeckt.
Diese neue Auflage enthalt auch ein erweitertes und aktualisiertes Li
teraturverzeichnis. Soweit es maglich war, haben wir uns auf Lehrbticher
und Ubersichtsartikel bezogen, die Material in einer piidagogischen Aufbe
reitung enthalten. Zusatzlich haben wir mehrere popularwissenschaftliche
Abhandlungen aufgeftihrt, die besonders fUr Studienanfiinger nutzlich sind.
Besonders bei den fortgeschritteneren Themen war es unvermeidbar, Artikel
aus Fachzeitschriften aufzunehmen, von denen wir hoffen, daB sie wenig
stens einen Teil der Begeisterung tiber die moderne optische Forschung
vermitteln kannen.
Es ist traurig, festhalten zu mussen, daB Henry Lipson nur beim er
sten Treffen der drei Autoren teilnehmen konnte, bei dem die allgemeine
Ausrichtung der Neuauflage festgelegt wurde. Er starb einige Tage nach
dieser Sitzung; aber nattirlich beeinflussen die Auswirkungen seiner per
sanlichen Auffassung der Optik und der Art und Weise, wie sie gelehrt
werden sollte, noch sehr stark die Darstellung. Wir haben aus diesem Grund
X Vorwort zur dritten englischen Auflage
den Schwerpunkt auf der Fouriertransformation als grundlegendes Werk
zeug genauso beibehalten wie die zahlreichen Beispiele aus dem Bereich
kristallographischer Methoden. Soweit dies moglich war, haben wir die
Theorie mit Photographien echter Laborergebnisse verdeutlicht; zahlreiche
Experimente aus der zweiten Auflage wurden wiederholt und hoffentlich
verbessert.
Wir haben auch den Aufgabenteil iiberarbeitet, der jetzt insgesamt et
wa einhundert Aufgaben umfaBt. Die meisten davon zielen darauf ab,
das Nachdenken zu fOrdern und zielen weniger auf Priifungsvorberei
tung. Wir planen, die Losungen zu den Aufgaben zu publizieren, die
schriftlich von den Autoren erhalten werden konnen (E-Mail: PHR22SL@
PHYSICS.TECHNION.AC.IL, [email protected]).1
Es ist uns eine Freude, den zahlreichen Personen zu danken, die uns
bei der Erstellung dieser Auflage geholfen haben. Wir miissen hier speziell
Sam Braunstein, Netta Cohen, Arnon Dar, Michael Elbaum, Baruch Fisher,
Kopel Rabinovitch, Erez Ribak, Vassilios Sarafis, John Shakeshaft und Mi
chael Woolfson erwillmen, die bestimmte Themengebiete vorgeschlagen,
das Manuskript gelesen und kritisch kommentiert haben. Die Geduld und
die Fahigkeiten von Frau Julia Lownheim bei der Herstellung der Photo
graphien seien dankbar erwahnt sowie die Hilfe von Michael Dovrat, Gila
Etzion, Shimon Kostianovski, Ariel, Carni und Doron Lipson, Carina Reisin
und Elizabeth Yudim bei der Herstellung des Manuskripts und der Abbil
dungen. Wir danken speziell Rina Lipson fUr die Erstellung des Indexes. Wir
bedanken uns ebenso fUr die finanzielle Unterstiitzung durch den Techni
on President's Fund, mit der einige der Herstellungskosten gedeckt werden
konnten.
S. G. Lipson
D. S. Tannhauser
1 Anmerkung des Verlags: Die vorliegende deutsche Ausgabe enthalt bereits aile
vollstandigen Uisungen.
Vorwort
zur zweiten englischen Auflage
Seit dem Erscheinen der ersten Auflage ist das Gebiet der Optik, wie es an
Universitaten studiert wird, sowohl im Umfang als auch in seiner Popularitat
gewachsen, und sowohl wir als auch der Verlag waren der Meinung, daB
die Zeit fUr eine Neuauflage von "Optical Physics" gekommen ist.
Bei der Vorbereitung fUr die neue Auflage haben wir in mehrerer
Hinsicht weitgehende Veranderungen vorgenommen. Zuerst haben wir
versucht, alle Fehler und konzeptionellen Mangel, die uns wahrend der
neunjahrigen Verwendung des Buches aufgezeigt wurden, zu beseitigen.
Zweitens haben wir eine wichtige Anderung beim Inhalt vorgenommen:
Wir haben das Kapitel tiber Quantenoptik in die anderen Kapitel des Bu
ches aufgenommen. 1m Laufe der Jahre sind zahlreiche Lehrbticher zum
Thema Laserphysik erschienen, und es erscheint heute fUr ein Buch tiber
Optik unerftillbar, dieses Thema in einem Kapitel befriedigend zu behan
deln. Da jedoch einige Kenntnisse tiber die Prinzipien des Lasers fUr das
Verstandnis der heutigen physikalischen Optik vonnoten sind, insbesonde
re, wenn Koharenzphanomene besprochen werden, haben wir die Teile, die
wir als notwendiges Minimum ansehen, in Kapitel 7 und 8 aufgenommen.
Zusatzlich zu diesen inhaltlichen Anderungen haben wir die Zahl der
dem Leser angebotenen Ubungsaufgaben erhoht, sie in Kapitel aufgeteilt
und Losungen vorbereitet. Wir haben auch einige Vorschlage aufgegriffen,
die unserer Erfahrung nach als studentische Projekte dazu geeignet sind,
das Themengebiet dieses Buches zu illustrieren.
Wir sind nattirlich all denen dankbar, die uns auf Fehler und Verbesse
rungsmoglichkeiten aufmerksam gemacht haben. Speziell mtissen wir hier
D.S. Tannhauser, I. Senitsky und M. Neugarten danken, die uns erheblich
durch kritisches Lesen des emeuerten Manuskripts geholfen haben. Wir sind
auch den Angestellten von Cambridge University Press sehr dankbar, die
weitgehend bei der Behebung von Fehlem und Ungenauigkeiten in unserem
Manuskript beteiligt waren.
Mai 1979 S. G.Lipson
H. S. Lipson