Die Natur des Lichts: Theorien, Phänomene und Dualität

Die Natur des Lichts: Theorien und Phänomene

Newtons Korpuskulartheorie

Das Licht besitzt Teilchencharakter: Glühbirnen emittieren winzige Partikel, die sich geradlinig in alle Richtungen ausbreiten, mit den Augen kollidieren und die Empfindung von Licht erzeugen. Licht kann, abgesehen von der Farbe, transparente Medien durchdringen und von undurchsichtigen Körpern reflektiert werden. Diese Hypothese rechtfertigt Phänomene wie die geradlinige Ausbreitung von Licht und die Reflexion, aber nicht die Brechung.

Huygens' Wellentheorie

Huygens schlug vor, dass Licht aus der Wellenausbreitung einer Störung des Mediums besteht. Er glaubte, dass es sich um Longitudinalwellen handelte. Diese Hypothese erklärt Phänomene wie die Reflexion, die Brechung des Lichts und die Doppelbrechung. Eine Schwierigkeit der Wellentheorie war, dass sie Lichtwellenphänomene wie die Beugung nicht sofort erklären konnte. Heute wissen wir jedoch, dass die Wellenlänge so klein ist, dass diese Erscheinungen nicht leicht zu beobachten sind.

Fresnels Wellentheorie

Fresnel schlug vor, dass Licht aus Transversalwellen besteht. Foucault stellte später fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in Luft größer ist als in Wasser, was Newtons Erklärung der Brechung ungültig machte.

Maxwells Theorie des Elektromagnetismus

Maxwell schlug vor, dass Licht keine mechanische Welle ist, sondern eine Form von hochfrequenter elektromagnetischer Welle. Lichtwellen bestehen aus der Ausbreitung eines elektrischen Feldes und eines Magnetfeldes, die senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen und keine materielle Unterstützung benötigen.

Einsteins Teilchennatur des Lichts

Einstein schlug vor, dass Licht aus einem Bündel von kleinen Energiequanten besteht, die auch Photonen genannt werden. Das bedeutet, dass Photonen als konzentrierte Wellenenergie auftreten, die nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Paketen verteilt ist.

Die Dualität des Lichts

Das Licht besitzt eine Doppelnatur, die sich als Teilchenstrahlung und als Welle manifestiert. Es breitet sich als elektromagnetische Welle aus und zeigt Wellenphänomene. In seiner Wechselwirkung mit Materie, insbesondere bei bestimmten Energieaustauschphänomenen, manifestiert es jedoch einen korpuskularen Charakter. Das Licht verhält sich in einem bestimmten Phänomen entweder wie eine Welle oder wie ein Teilchen.

Charakteristische Erscheinungen der Lichtwellen

1. Interferenz

Bei der Interferenz überlagern sich Wellen. Man unterscheidet zwei Haupttypen:

• Konstruktive Interferenz: Wenn die Wellen in Phase sind, kommt es zu einer Intensivierung der Wellen.
• Destruktive Interferenz: Wenn die Wellen außer Phase sind, kommt es zu einer Abschwächung oder sogar zur Auslöschung der Wellen.

Youngs Doppelspalt-Experiment

Youngs Experiment bestätigte das Wellenmodell des Lichts und ermöglichte die Messung seiner Wellenlänge. Das Experiment besteht darin, eine monochromatische Lichtquelle zu verwenden, die einen Schirm mit zwei schmalen Spalten beleuchtet. Diese Spalte wirken als kohärente Emissionsquellen, da die Wellen aus derselben Quelle stammen. Die interferierenden Wellen erzeugen auf einem dahinterliegenden Schirm ein Interferenzmuster. Hierbei sind ein zentraler heller Streifen sowie weitere parallele helle und dunkle Streifen zu beobachten. Die hellen Streifen entstehen durch konstruktive Interferenz der Wellen (in Phase), während die dunklen Streifen durch destruktive Interferenz der Wellen (in Gegenphase) verursacht werden.

2. Beugung

Wenn Licht auf ein Hindernis trifft, zeigt sich im Schattenbereich, dass dessen Umrisse nicht scharf sind, sondern helle und dunkle Bereiche aufweisen – dies ist das Phänomen der Beugung.

Beugungsmuster durch einen Spalt

Ein Strahl monochromatischen Lichts, der durch einen schmalen Spalt parallel zur Wellenfront des einfallenden Lichts tritt, bildet ein Beugungsmuster. Dieses besteht aus einem breiten zentralen hellen Streifen und an den Seiten hellen Streifen im Wechsel mit schmalen dunklen Streifen. Dieses Phänomen kann durch das Huygens-Prinzip interpretiert werden, das besagt, dass jeder Punkt des Spalts als Quelle für Elementarwellen dient, die sich gegenseitig überlagern und stören.

3. Polarisation

Die Polarisation zeigt, dass Lichtwellen transversal sind. Ein Lichtstrahl ist linear polarisiert, wenn die Schwingungen des elektrischen Feldes immer in dieselbe Richtung erfolgen. Die Polarisationsebene einer elektromagnetischen Welle wird durch die Ausbreitungsrichtung und die Richtung der Schwingungen bestimmt. Natürliches Licht ist nicht polarisiert, da es von einer großen Zahl verschiedener Wellenzüge aus verschiedenen Atomen gebildet wird, wobei in jedem das elektrische Feld in einer anderen Ebene schwingt. Das Ergebnis ist, dass die möglichen Schwingungsrichtungen für das elektrische Feld unendlich sind und sich zufällig im Laufe der Zeit ändern.

Polarisation durch Reflexion

Malus entdeckte, dass, wenn natürliches Licht auf eine polierte Glasoberfläche fällt, das reflektierte Licht ganz oder teilweise je nach Einfallswinkel polarisiert ist. Brewster entdeckte, dass die Polarisation bei einem bestimmten Einfallswinkel vollständig ist, wenn der reflektierte Strahl und der gebrochene Strahl einen Winkel von 90 Grad bilden. Dieser Winkel wird als Polarisationswinkel oder Brewster-Winkel bezeichnet.

Brewsters Gesetz

Die Polarisation ist vollständig, wenn der Tangens des Einfallswinkels dem Brechungsindex des Mediums entspricht, in dem die Brechung erfolgt.

Polarisation durch selektive Absorption

Edwin Land entdeckte ein Material in Form von dünnen Platten mit langkettigen Kohlenwasserstoff-Molekülen, die parallel angeordnet sind. Dieses Material wird als Polaroid oder Polarisator bezeichnet. Es polarisiert Licht durch einen Mechanismus der selektiven Absorption, der durch die Ausrichtung der Moleküle ermöglicht wird. Da Elektronen sich nur entlang der Molekülketten bewegen können, absorbiert das Material Lichtenergie und erzeugt einen elektrischen Strom, wenn die Schwingungsrichtung des einfallenden Lichts parallel zur Ausrichtung der Molekülketten ist. Ist die Schwingungsrichtung des Lichts senkrecht zur Richtung der Molekülketten, wird die Welle hingegen kaum absorbiert und kann passieren.