Licht: Welle oder Teilchen? Eine Reise durch die Physik

Die Natur des Lichts: Eine Reise durch die Physik

Die Frage nach der Natur des Lichts beschäftigt die Menschheit seit der Antike bis ins 20. Jahrhundert. Im Laufe der Geschichte gab es im Wesentlichen zwei konkurrierende Theorien:

• Die Teilchen-Theorie: Diese Theorie besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, sogenannten "Blutkörperchen", besteht. Ihr wichtigster Vertreter war Isaac Newton.
• Die Wellen-Theorie: Diese Theorie postuliert, dass Licht sich wie eine Welle verhält.

Beide Theorien konnten die Phänomene der Reflexion und Brechung erklären. Jedoch konnte nur die Wellen-Theorie Phänomene wie Interferenz und Beugung sowie die Tatsache, dass Licht sich in weniger dichten Medien schneller ausbreitet, zufriedenstellend erklären. Dies, zusammen mit der Entwicklung des Elektromagnetismus durch James Clerk Maxwell, stärkte die Wellen-Theorie als gültig.

Im 19. Jahrhundert schien das Problem gelöst und es wurde anerkannt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Doch zu Beginn des 20. Jahrhunderts musste Albert Einstein auf die Teilchen-Natur des Lichts zurückgreifen, um bestimmte Phänomene der Emission und Absorption von Licht durch Materie, wie den photoelektrischen Effekt, zu erklären.

Nachdem der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts in der Physik eingeführt wurde, bedeutet dies, dass Licht zwei Naturen besitzt: In einigen Phänomenen verhält es sich wie eine Welle mit einer bestimmten elektromagnetischen Frequenz, in anderen verhält es sich wie ein Strom von Teilchen, den Photonen, mit einer bestimmten Energie.

Grundlegende Konzepte der Wellenlehre

Amplitude

Die Amplitude ist die maximale Auslenkung eines Teilchens aus seiner Ruhelage. Bei einer harmonischen Bewegung ist dies die maximale Auslenkung. In einer elektromagnetischen Welle ist die Amplitude der maximale Wert des elektrischen oder magnetischen Feldes.

Wellenlänge (λ)

Die Wellenlänge (λ) ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Punkten mit dem gleichen Störungszustand. Sie gibt die räumliche Periodizität der Welle an und wird in Metern (m) gemessen.

Periode (T)

Die Periode (T) ist die Zeit, die für einen vollständigen Schwingungszyklus der Störung benötigt wird. Mit anderen Worten, es ist die Zeit, die eine Wellenlänge benötigt, um sich fortzubewegen. Sie gibt die zeitlichen Abstände in Sekunden (s) an.

Frequenz (f)

Die Frequenz (f) ist der Kehrwert der Periode. Sie gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an und wird in Hertz (Hz) gemessen.

Kreisfrequenz (ω)

Die Kreisfrequenz (ω) ist die Anzahl der Bogenmaß pro Sekunde.

Zusammenhang zwischen Zeit und Wellenlänge

Wir können die Zeit und die Wellenlänge durch die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung (v) in Beziehung setzen: v = λ / T = λ * f.

Das Huygens-Prinzip

Das Huygens-Prinzip ist ein einfacher Mechanismus zur Konstruktion von Wellenfronten aus früheren Wellenfronten. Eine Wellenfront ist immer eine Fläche, die durch Punkte verläuft, an denen eine Welle mit der gleichen Phase schwingt.

Das Prinzip besagt: Jeder Punkt auf einer Wellenfront kann als Quelle sekundärer Wellen betrachtet werden. Die Einhüllende dieser sekundären Wellen bildet die neue primäre Wellenfront.

Anwendung: Sekundäre Wellen werden als kleine Kreise mit einem Radius aufgetragen, dessen Zentren sich an verschiedenen Punkten einer Wellenfront befinden. Anschließend wird die Einhüllende dieser Kreise gezeichnet, die die neue Wellenfront darstellt.

Eine Konsequenz des Huygens-Prinzips ist, dass alle Strahlen die gleiche Zeit benötigen, um sich zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenfronten auszubreiten. Strahlen sind Linien, die senkrecht zu den Wellenfronten verlaufen und die Richtung der Wellenausbreitung anzeigen.

Obwohl das Huygens-Prinzip ursprünglich für Materiewellen formuliert wurde (die einzigen, die zu dieser Zeit bekannt waren), ist es für alle Arten von Wellen gültig. Christiaan Huygens formulierte es im 17. Jahrhundert. Gustav Kirchhoff erweiterte die Methode später für elektromagnetische Wellen, sobald diese entdeckt wurden.