Licht und seine Eigenschaften: Eine umfassende Erklärung

Licht: Elektromagnetische Wellen: Licht ist eine Form der Ausbreitung im Vakuum, die aus sich senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht.

Eigenschaften von Licht

• Benötigt keine materielle Unterstützung.
• Elektrische und magnetische Felder variieren sinusförmig mit Ort und Zeit.
• Ladungen, die durch elektrische Felder beschleunigt werden, verlieren Energie in Form von elektromagnetischen Wellen.
• Wo ein sich änderndes Magnetfeld vorhanden ist, entsteht ein elektrisches Feld und umgekehrt.
• An jedem Punkt im Raum ist das Verhältnis der Beträge des elektrischen und magnetischen Feldes gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen.
• Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit wird berechnet als c = 1 / √(ε₀μ₀).
• Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist v = λ / T.

Elektromagnetisches Spektrum

Radiowellen (10¹⁰ Hz), Mikrowellen (10¹² Hz), Infrarot (10¹⁴ Hz), Sichtbares Licht (10¹⁵ Hz), Ultraviolett (10¹⁷ Hz), Röntgenstrahlen (10¹⁹ Hz) und Gammastrahlen (10²² Hz).

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum beträgt ca. 3 x 10⁸ m/s.

Geradlinige Ausbreitung des Lichts

Lichtquellen und beleuchtete Objekte emittieren Licht in alle Richtungen, und dieses breitet sich geradlinig aus. Dies erklärt Phänomene wie Schatten, Dunkelheit und Finsternisse. Ein Schatten ist ein unbelichteter Bereich, der hinter einem undurchsichtigen Körper erscheint, wenn dieser von einer Punktlichtquelle beleuchtet wird.

Lichterscheinungen

1. Beugung: Ablenkung der Wellenausbreitung, wenn sie eine Öffnung durchdringt, deren Größe der Wellenlänge entspricht.
2. Reflexion: Phänomen, bei dem die Ausbreitungsrichtung einer Welle an der Grenzfläche zweier Medien geändert wird.
3. Brechung: Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle beim Übergang von einem Medium in ein anderes.
4. Dispersion: Phänomen, bei dem ein Lichtstrahl, der auf ein brechendes Material trifft, in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten wird. Dies geschieht aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge.
5. Absorption: Phänomen, bei dem ein Körper einen Teil der empfangenen Lichtenergie beim Beleuchten beibehält.
6. Interferenz: Überlagerung von zwei oder mehr Wellenbewegungen an einem Punkt im Raum, die sich durch dasselbe Medium ausbreiten. Es gibt zwei Arten:
   • Konstruktiv: Die Intensität ist eine Verstärkung der Lichtintensität; tritt auf, wenn die Wellen in Phase sind.
   • Destruktiv: Die resultierende Störung ist geringer als die ursprüngliche.

Sehfehler

Presbyopie (Alterssichtigkeit)

Ein altersbedingter Sehfehler, bei dem die Akkommodationsfähigkeit des Auges durch Ermüdung des Ziliarmuskels abnimmt. Die Fernsicht ist nicht beeinträchtigt, da die Linse nicht komprimiert wird. Ein Anzeichen ist, wenn Personen den Arm ausstrecken, um etwas zu lesen. Zur Korrektur werden Sammellinsen oder Bifokalgläser verwendet, die dem Auge zwei Brennpunkte ermöglichen.

Myopie (Kurzsichtigkeit)

Das Auge verliert seine Akkommodationsfähigkeit aufgrund einer übermäßigen Konvergenz. Die Strahlen treffen sich vor der Netzhaut, wodurch kein scharfes Bild entsteht. Kurzsichtige Menschen haben einen geringeren Nahpunkt als Normalsichtige und sehen in der Nähe scharf, aber in der Ferne unscharf. Zur Korrektur werden Zerstreuungslinsen verwendet.

Hyperopie (Weitsichtigkeit)

Das Gegenteil der Kurzsichtigkeit. Die Strahlen treffen sich hinter der Netzhaut, wodurch ebenfalls kein scharfes Bild entsteht. Die Linse hat eine geringere Krümmung als normal. Zur Korrektur werden Sammellinsen verwendet, die die Strahlen näher an der Hornhaut bündeln.

Astigmatismus

Unregelmäßigkeiten in der Krümmung der Hornhaut, die die Fähigkeit beeinträchtigen, Linien, die senkrecht zueinander stehen und in derselben Ebene liegen, klar zu sehen. Dies führt dazu, dass Teilbilder in unterschiedlichen Entfernungen fokussiert werden. Korrigiert wird dies durch Zylinderlinsen, die den Fokus für verschiedene Ebenen auf denselben Punkt legen.

Lichttheorien

Korpuskulartheorie (Newton)

Licht besteht aus winzigen Teilchen, die sich geradlinig bewegen und beim Auftreffen auf unsere Augen das Gefühl von Licht erzeugen.

Wellentheorie

Licht ist eine Störung, die sich von der Lichtquelle zum Betrachter ausbreitet.

Strahlenverfolgung von Spiegeln

1. Strahlen, die parallel zur Achse verlaufen, werden durch den Brennpunkt fokussiert.
2. Ein Strahl, der durch den Krümmungsmittelpunkt verläuft, wird ohne Ablenkung zurückgeworfen.
3. Ein Strahl, der durch den Brennpunkt verläuft, wird parallel zur optischen Achse reflektiert.

Strahlenverfolgung von Linsen

1. Strahlen, die parallel zur optischen Achse verlaufen, werden gebrochen und durchlaufen den Brennpunkt F2.
2. Strahlen, die durch das Zentrum der Linse verlaufen, erfahren keine Ablenkung.
3. Strahlen, die durch den Brennpunkt F1 verlaufen, werden nach der Linse parallel zur Achse gebrochen.