Zwischenbilanz zur Wochenmitte

Some personal highlights:

• The photoelectric effect is used to find out if a "metal mixture" contains a certain element or not
• Diurnal species have circadian cycles >24h; early birds have shorter cycles than late risers
• Watson and Crick elucidated the structure of DNA by x-ray diffraction: somehow, the molecule in question can be crystallized. The crystal is irradiated by x-rays from different angles and from the interference pattern a 3D map of the arrangement of atoms is calculated (Fourier transformation). x-rays have just the right wave length (~ 0.01-1 nm) for this application since they are in the range of 2d sin(incident angle), where d is the distance between atoms/layers (see Bragg equation).
• A light bulb transforms 4% of the energy into light; 96% is released as heat.
• Optical tweezers can handle tiny objects without physically touching them. However, the object will absorb some of the energy, its temperature rises - limited use of the approach for living things (cells)!

Open issue:

• Will the mice appreciate our mouse house? Will they agree with the architects on the use of the building or will it simply serve as a snack?

Experiments and active learning

After learning a lot about light, particles, waves and other wonders of physics through presentations, we had a whole afternoon (Tuesday) dedicated to active learning. Thanks to Prof. Paruch, we had the chance to experience directly how light behaves.

First experiment: lenses and mirrors. Though most of us had already done some similar experiments in high school during science class, it was pretty different with a great physicist next to us, ready to answer all of our questions, even the most strange ones. We had at our disposal an impressive choice of lenses and convex and concave mirrors to play with. One thing we learnt is that light does not always go where we expect it to go. Second, you can make some pretty things with lens and colorful sheets of glass.

The second experiment was more complex and it was not easy to have a full understanding of it right away. It involved a laser (not a powerful one) and some grating. We projected the laser through the grating and observed the pattern it made on the white screen, hoping to fully understand how it worked. After measuring the spacing between the dots, we drew figures to help us make clear what we understood. According to the pattern you get on the screen, you can actually know how the grating is designed. It can be used to find the different planes of crystals or to recognize one from powder as the crystalline structure is preserved.

The last experience was about optic fibers. The main point was to understand how it works and to find some applications of this concept. The functioning of an optic fiber is quite intuitive: the beam of light is bouncing (the accurate term is reflecting, but it is not as funny) within the fiber and thus you get light at the end of the fiber.

A surprising application of this bouncing concept in the animal world is polar bear. Their fur is made, not of glass, but of an organic matter that plays the same role as an optic fiber, bringing light, and thus energy, directly to the skin. As its skin is dark, it absorbs easily the energy and it keeps the polar bear from being cold. They are so lucky!

During that afternoon, I also had a thought for our mice that had just discovered their new houses. We spent an entire afternoon (Monday) designing houses with different kinds of windows and shapes, hoping that they would either love or hate them. Well, we'll see the results at the end of the week...

Vollmondlicht

Landstreicher Philippe feels having lunched reicher and is never day-tired of travelling around without the achievements of primitive (actually as taught us Prof. Auer we shouldn't say this) modern or postmodern architecture.
Therefore on his trips from time to time he's gazing at full moon and wonders whether this is bad for his eyes. Fortunately physics can give a response to this question, so lets now give a little recapitulation of physical units and values.

Es sind vier lichttechnische Grössen, welche von Bedeutung sind:

Der Lichtstrom, die Leuchtdichte, die Beleuchtungsstärke und die Lichtstärke. Anschaulich kann die Unterscheidung der ersten drei Grössen anhand des untenstehenden Bildes dargestellt werden (Quelle: Fördergemeinschaft Gutes Licht (FLG) (Hrsg.): Grundlagen der Lichttechnik, Folienservice der FGL, Frankfurt/Main 03/92, mit bestem Dank an Herrn Wilken für die Zurverfügungstellung, sowie an Nadia für technische Hilfe!):

Der Lichtstrom stellt dar, was an Strahlung von einer Leuchtquelle ausgeht. Die offizielle Einheit des Lichtstroms Φ ist Lumen (lat. für 'Licht', 'Leuchte'), formal ausgedrückt: [Φ] = lm.


Die Leuchtdichte drückt aus, wie stark das Auge eine leuchtende Fläche einschätzt. Es handelt sich um den Quotienten der Lichtstärke der Fläche und der scheinbaren Grösse der Fläche (scheinbar deswegen, weil bei geneigten Flächen nur die Projektion auf eine zur Betrachtungsebene senkrecht stehenden Ebene zählt). Daraus folgt die offizielle Einheit der Leuchtdichte: : [L] = cd/m².


Die Beleuchtungsstärke, zu guter Letzt, gibt uns Auskunft über das, was auf einer Fläche effektiv auftritt, wie stark also die Beleuchtung dieser Fläche ist. Die Beleuchtungsstärke E ist der Quotient aus dem auftreffenden Lichtstrom (siehe oben) und der Empfängerfläche. Die hier verwendete Einheit ist Lux. Dies wird formal so ausgedrückt: : [E] = Lux = lm/m².
Daraus geht hervor, dass ein Lichtstrom mit zunehmender Entfernung überproportional (genauer: quadratisch) an effektiver Beleuchtungsstärke einbüsst.

Die vierte Grösse ist auf dem Bild nicht dargestellt. Da es sich bei der Lichtstärke aber um eine sehr wichtige Basisgrösse handelt, führe ich sie hier dennoch auf: Die Lichtstärke drückt aus, wieviel Lichtenergie von einer Lichtquelle ausgeht. Die offizielle Einheit der Lichtstärke I ist Candela (lat. für Wachs- oder Talgkerze), formal ausgedrückt : [I] = cd.

Nun also zurück zur Frage, ob es für das menschliche Auge schädlich ist, sich über längere Zeit dem Vollmondlicht auszusetzen?

Die subjektive Wahrnehmung von Licht wird durch die Leuchtdichte wiedergegeben. Aus Übersichtstabellen über die Leuchtdichte von Lichtquellen geht hervor, dass ein grauer Himmel bis zu 0,3 cd/m² aufweist, ein blauer Himmel bis zu 1 cd/m², und die Sonne am Horizont ca. 600 cd/m². Für den Mond liegt der Wert bei ca. 0,25 cd/m². Das Auge fühlt sich ab 0,75 cd/m² geblendet. Daraus kann man schliessen, dass es für das Auge unangenehmer sein muss, in den blauen Sommerhimmel zu schauen, als auf den Mond.

Nun interessiert aber natürlich auch, inwiefern eine Schädigung des Auges hervorgerufen werden kann. Hier ziehen wir die Beleuchtungsstärke hinzu, da wir ja wissen wollen, wieviel Licht in Form von Photonen (oder Wellenenergie) das Auge ertragen kann. Wiederum geben Tabellen einen Überblick über verschiedene Beleuchtungsstärken: Das Sonnenlicht ist im Sommer 100'000 Lux stark, im Winter noch 10'000 Lux. Bei bedecktem Himmel treffen im Winter noch 1000-2000 Lux auf die Erdoberfläche. Die Grenze der Farbwahrnehmung liegt bei ca. 3 Lux. Und erst jetzt, also unterhalb der Schwelle der Farbwahrnehmung, steht der Wert für die Vollmondnacht: 0,2 Lux. Dies ist also die "Menge" Licht, welche vom Vollmond ausgehend auf unser Auge auftrifft.
Unter der wohl nicht ganz abwegigen Annahme, dass die Augen ohne gesundheitliche Bedenken regelmässig tagsüber mindestens so viel Licht ausgesetzt sind, dass sie Farben wahrnehmen können, kann ich also den Schluss ziehen, dass der mondsüchtige Betrachter des Firmaments sich keineswegs Sorgen machen muss ob der Gefährdung seiner Augen. (Des effets secondaires comme la transformation en loup-garou sont actuellement l'objet d'études menées par des sous-groupes de cette académie d'été. De toute façon on peut dire que la pleine lune de ce mardi 24 août 2010 à 19:04:36h a considérablement promu la ludomanie, culminant à des jeux de cartes très amusants.)