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PHY11 Debye-Sears-Effekt
Abb. 1: Equipment für den Praktikumsversuch

Gegenstand des Versuches


Der Versuch zeigt die Beugung von Licht an einer stehenden Ultraschallwelle (Debye-Sears-Effekt) in einer Flüssigkeit. Über die Abhängigkeit der Beugungsmaxima von der Wellenlänge des gebeugten Laserlichts und der Frequenz der Ultraschallwelle wird die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (Wasser) bestimmt.

Keywords: Debye-Sears-Effekt, Beugung von Licht, Beugungsgitter, Beugungsmaxima, Wellenlänge, Schallgeschwindigkeit, stehende und laufende Welle

Abb. 2: Abstand der Beugungsmaxima in Abhängigkeit von der Schallfrequenz

Theoretische und praktische Aspekte zum Versuch


1932 zeigten Debye und Sears, dass Licht beim Durchgang durch eine Flüssigkeit, die zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird, eine Beugung erfährt. Mit Hilfe dieses Effektes kann Ultraschall quasi „sichtbar“ gemacht werden. Die von stehenden oder laufenden Ultraschallwelle in der Flüssigkeit erzeugten Dichtemaxima und Dichteminima wirken hierbei wie ein optisches Beugungsgitter. Die Gitterkonstante eines solchen von einer Ultraschallwelle erzeugten Gitters entspricht der Wellenlänge dieser Ultraschallwelle. Sie kann mit Hilfe der Beugungsbilder des Lichtes eines Laserstrahls bekannter Wellenlänge bestimmt werden. Da die Wellenlänge durch Frequenz und Schallgeschwindigkeit definiert wird, kann der Debye-Sears-Effekt in diesem Versuchsaufbau verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit in der durchschallten Flüssigkeit (z. B. Wasser) mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Abb. 3: Beugungsbilder grüner Laser
Abb. 4: Beugungsbilder roter Laser

Ergebnisse


Die Abbildungen 3 und 4 zeigen typische Beugungsbilder für grünes und rotes Laserlicht an einer stehenden Ultraschallwelle in Wasser bei Schallfrequenzen von 3 MHz bis 10 MHz (Schrittweite: 1 MHz). Mit steigender Ultraschallfrequenz vergrößern sich die Abstände der einzelnen Beugungsmaxima, wobei das längerwellige rote Laserlicht stärker gebeugt wird. Die Anzahl der Beugungsordnungen ist im Wesentlichen durch die Übertragungseigenschaften der Schallsonde und die frequenzabhängige Dämpfung bestimmt.

Geräte und Material
20100 CW-Generator SC600
20200 Debye-Sears-Set
20211 Lasermodul (grün)
20225 AOM-Probenwanne
20223 Deckel für AOM-Probenwanne

»   Versuchsanleitungen (En)
Ergänzende Experimente
PHY12 Projektion stehender Wellen
PHY17 Akustooptische Modulation an stehenden Ultraschallwellen
PHY18 Akustooptische Modulation an laufenden Ultraschallwellen
IND04 Konzentrations­messung mit Resonanz­zelle