Die Natur des Lichts

Die Natur des Lichts: Elektromagnetische Wellen

Im Jahr 1860 veröffentlichte Maxwell seine mathematische Theorie des Elektromagnetismus, die die Existenz von elektromagnetischen Wellen voraussagte, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Licht ausbreiten. Daher argumentierte er, dass Licht und andere damals bekannte Wellen, wie Radiowellen, aus dem gleichen Phänomen bestanden: Elektromagnetische Wellen unterschieden sich nur in der Frequenz.

Heute wissen wir, dass eine elektromagnetische Welle einzigartig ist, da sie aus zwei gekoppelten Störungen besteht: einem oszillierenden elektrischen Feld senkrecht zu einem Magnetfeld.

Das Photon, Lichtteilchen

Einstein hat wesentlich zu unserem Verständnis des Lichts beigetragen. Er postulierte nicht nur, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (ca. 300.000 km/s) nicht überschritten werden kann, sondern führte auch die Idee der Lichtquanten ein.

Der photoelektrische Effekt

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, dass Elektronen aus der Oberfläche einiger Metalle emittiert werden, wenn Licht auf sie einfällt. Es wurde festgestellt, dass diese Elektronen eine Energie hatten, die nie einen Maximalwert überschritt.

Einstein argumentierte, dass die Elektronen jeweils nur ein Energiequantum, d. h. ein Photon, absorbierten. Eine Erhöhung der Frequenz des einfallenden Lichts führt also dazu, dass mehr Elektronen pro Zeiteinheit emittiert werden, aber ihre Energie erhöht sich nicht, da sie alle die gleiche Menge absorbiert haben: ein Photon.

Reflexion des Lichts

Wenn Licht auf ein Objekt fällt, wird es mehr oder weniger stark in das Medium zurückgeworfen. Dieses Phänomen wird als Reflexion bezeichnet und ihm verdanken wir, dass wir Dinge sehen können.

Die diffuse Reflexion ist typisch für körnige Stoffe wie Pulver. Bei der diffusen Reflexion werden die Strahlen aufgrund der Oberflächenrauheit in verschiedene Richtungen reflektiert.

Viele Reflexionen sind eine Kombination aus den beiden vorhergehenden Typen. Ein deutliches Beispiel dafür ist eine erweiterte Reflexion, die eine vorherrschende gerichtete Komponente aufweist, die teilweise durch Unebenheiten gestreut wird.

Die gemischte Reflexion

Die gemischte Reflexion ist eine Kombination aus Spiegelung, diffuser und gestreuter Reflexion. Diese gemischte Art der Reflexion tritt bei den meisten realen Materialien auf.

Die diffuse Reflexion

Die diffuse Reflexion ist eine Reflexion, die weder dem Lambertschen Gesetz noch dem Gesetz der spiegelnden Reflexion zugeordnet werden kann. Die Abbildung der Reflexionsmodelle zeigt ein mögliches Modell der diffusen Reflexion.

Brechung des Lichts

Wenn Licht von einem durchsichtigen Medium in ein anderes übergeht, ändert sich seine Richtung aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts in verschiedenen Materialien. Dieses Phänomen nennt man Brechung.

Dispersion des Lichts

Wenn wir einen Regenbogen betrachten, sehen wir die Farben, aus denen sich das weiße Licht zusammensetzt. Dieses Phänomen, bekannt als Dispersion, tritt auf, wenn ein Lichtstrahl in einem Medium gebrochen und in seine einzelnen Farben zerlegt wird.

Im Falle des Regenbogens wird das Licht beim Durchgang durch Wassertropfen gestreut. Die Ursache der Dispersion ist, dass der Brechungsindex mit zunehmender Wellenlänge abnimmt, so dass die längeren Wellenlängen (rot) weniger abgelenkt werden als die kürzeren (blau).

Polarisation des Lichts

Lichtwellen sind selten polarisiert, so dass die elektromagnetischen Schwingungen in allen Ebenen auftreten. Licht, das nur in einer Ebene schwingt, nennt man polarisiertes Licht.