Licht: Streuung, Interferenz, Beugung und Theorien erklärt

Grundlagen der Lichtphänomene

Streuung des Lichts: Der Brechungsindex eines Stoffes ist eine Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Daher werden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen beim Durchgang durch ein brechendes Material unterschiedlich abgelenkt, was als Streuung bezeichnet wird.

Interferenz: Wenn an einem Punkt zwei Wellen gleichzeitig ankommen, erfährt dieser Punkt eine Schwingung, die der Summe der einzelnen Schwingungen entspricht.

Konstruktive und destruktive Interferenz

Konstruktive Interferenz: Wenn die Wellen in Phase sind, ist die resultierende Amplitude die Summe der Einzelamplituden, und die Intensität ist maximal. Es kommt zu einer Verstärkung der Wellen.

Destruktive Interferenz: Wenn die Wellen in Opposition sind, ist die resultierende Amplitude die Differenz der Einzelamplituden, und die Intensität ist minimal. Es kommt zu einer Auslöschung der Wellen.

Beugung: Lichtwellen beugen sich um Hindernisse herum und erreichen Punkte, die im Schatten liegen.

Polarisation: Ein Lichtstrahl ist linear polarisiert, wenn die Schwingungen des elektrischen Feldes in einer einzigen Richtung erfolgen. Eine Welle ist polarisiert, wenn nicht alle Schwingungsrichtungen der Teilchen im Medium gleich wahrscheinlich sind. Es gibt geradlinige, kreisförmige und elliptische Polarisation.

Reflexion: Wenn eine Welle auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien trifft, wird ein Teil der Energie als Welle in das erste Medium zurückgeworfen. Der einfallende Strahl, das Lot zur Oberfläche am Auftreffpunkt und der reflektierte Strahl liegen in derselben Ebene. Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich.

Brechung: Wenn eine Welle auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien trifft, dringt sie in das zweite Medium ein und breitet sich dort aus, wobei ein Teil der Energie übertragen wird. Dabei ändert sich die Richtung des Strahls. Der gebrochene Strahl und das Lot liegen in derselben Ebene. Der relative Brechungsindex n gibt das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten zum zweiten Medium an.

Historische Lichttheorien

Korpuskulartheorie Newtons: Newton nahm an, dass Licht aus Teilchen besteht, die sich geradlinig ausbreiten und beim Auftreffen auf das Auge den Seheindruck erzeugen. Diese Theorie konnte jedoch nicht erklären, warum Licht sich in Flüssigkeiten und Glas schneller ausbreitet als in Luft.

Wellentheorie Huygens: Huygens schlug vor, dass Licht eine Wellenbewegung ist, ähnlich Schallwellen. Diese Hypothese erklärte Reflexion, Brechung und Doppelbrechung, wurde aber von den meisten Wissenschaftlern zugunsten der Korpuskulartheorie abgelehnt, da Beugungseffekte nicht beobachtet wurden.

Weiterentwicklungen der Wellentheorie

Fresnel-Wellen-Theorie: Durch die Entdeckung der Interferenz (1801), der Polarisation (1808) und der Beobachtung von Beugungseffekten zeigte Fresnel 1815 die Unzulänglichkeit der Korpuskulartheorie und schlug vor, dass Licht aus transversalen Wellen besteht. Die Geschwindigkeit des Lichts nimmt in Flüssigkeiten und Festkörpern ab.

Maxwells elektromagnetische Theorie: Diese Theorie besagt, dass Licht eine hochfrequente elektromagnetische Welle ist. Sie fand allgemeine Akzeptanz und beschreibt die wahre Natur des Lichts.

Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts: Der photoelektrische Effekt, bei dem Licht einer bestimmten Frequenz Elektronen aus einer Metalloberfläche freisetzt, konnte nicht durch die Wellentheorie erklärt werden. Einstein schlug vor, dass Licht aus Energiequanten, den Photonen, besteht (E = hf).

Dualismus des Lichts: Nach Einstein wird akzeptiert, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Dieser Dualismus gilt auch für das Verhalten bestimmter Teilchen wie Elektronen.

Doppler-Effekt: Der Doppler-Effekt beschreibt die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz einer Welle aufgrund der Relativbewegung zwischen Quelle und Beobachter.