Optik: Licht, Reflexion, Brechung und Streuung

Optik: Eine kurze Einführung

Die Optik ist der Teil der Physik, der das Licht und seine Eigenschaften untersucht. Seit der Antike gibt es Theorien, die versuchen, das Licht zu erklären. Die alten Atomisten argumentierten, dass das Sehen dadurch zustande kommt, dass Objekte Bilder ausstrahlen, die sie verlassen und in die Seelen der Menschen gelangen, die durch ihre Augen sehen.

Lichtgeschwindigkeit und Brechungsindex

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine endliche Größe, die zwar unterschiedliche Werte annimmt, je nach dem Medium, in dem sie sich ausbreitet, aber im Vakuum einen Maximalwert erreicht. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wird durch "c" repräsentiert und hat einen ungefähren Wert von 300.000 km/s. In jedem anderen Medium ist die Lichtgeschwindigkeit niedriger.

Fermatsches Prinzip der Lichtausbreitung

Wenn Licht von einem Punkt zu einem anderen geht, ist der Weg, den es nimmt, derjenige, der die kürzeste Zeit benötigt. Mit anderen Worten: Der Weg des Lichts ist derjenige, bei dem die Zeit, die es braucht, um von einem Punkt zum anderen zu gelangen, am geringsten ist.

Dieses Prinzip führt dazu, dass der Lichtweg im Falle eines isotropen, homogenen Mediums geradlinig ist. Eines der ersten optischen Phänomene, die beobachtet wurden, war wahrscheinlich der Schatten eines beleuchteten Objekts. Wenn die Lichtquelle klein ist, hat der Schatten die gleiche Form wie das Objekt und die Schattengrenzen sind scharf. Wenn die Lichtquelle groß ist, besteht der Schatten aus zwei Teilen: Der Bereich hinter dem Objekt, der kein Licht von der Lichtquelle erhält, wird als Schatten bezeichnet. Um diesen Bereich herum befindet sich der Halbschatten, der einen Teil des Lichts von der Lichtquelle erhält, aber nicht das gesamte Licht. Beides lässt sich leicht durch die geradlinige Ausbreitung des Lichts erklären.

Reflexion des Lichts

Wenn Licht auf die Grenzfläche zweier Medien trifft, wird es reflektiert. Wenn die Empfangsfläche glatt und poliert ist, wie bei einem Spiegel, spricht man von gerichteter Reflexion. Die Lichtstrahlen breiten sich in parallelen Richtungen aus. Wenn die Oberfläche Unregelmäßigkeiten aufweist, spricht man von diffuser Reflexion. Die reflektierten Strahlen breiten sich in verschiedene Richtungen aus.

Für die Reflexion gelten folgende Gesetze:

1. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Normale zur Oberfläche liegen in der gleichen Ebene.
2. Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen (Einfallswinkel) ist gleich dem Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und der Normalen (Reflexionswinkel).

Brechung des Lichts

Die Brechung des Lichts ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Die Medien müssen für Licht transparent sein.

Für die Brechung gelten folgende Gesetze:

1. Der einfallende Strahl und der gebrochene Strahl liegen in der gleichen Ebene wie die Normale.
2. Das Snelliussche Gesetz: Das Verhältnis des Sinus des Winkels zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen zum Sinus des Winkels zwischen dem gebrochenen Strahl und der Normalen ist konstant und gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium.

Die Streuung des Lichts

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Medium von der Wellenlänge des Lichts abhängt, kann man sagen, dass der Brechungsindex "n" von der Wellenlänge des Lichts und somit von der Frequenz abhängt. Wenn also ein Lichtstrahl, der aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen besteht, durch ein materielles Medium fällt, ...