Optik: Theorien des Lichts und das Elektromagnetische Spektrum
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Optik: Definition und Grundlagen
Die Optik ist der Teil der Physik, der die Phänomene der Natur und die Ausbreitung des Lichts untersucht.
A) Theorien über die Natur des Lichts
Im Laufe der Geschichte gab es zwei Haupttheorien über das Licht:
Die Korpuskeltheorie des Lichts
Diese Theorie wurde bereits 1671 von Newton entwickelt und im 20. Jahrhundert von Einstein wieder aufgegriffen. Das Licht besteht demnach aus winzigen Teilchen (Korpuskeln), die sich in geraden Linien und mit großer Geschwindigkeit ausbreiten. Newton belegte diese Idee anhand vieler Phänomene. Sie erklärte jedoch weder Interferenz, Brechung noch Beugung.
Die Wellentheorie des Lichts
Diese Theorie wurde zunächst von Huygens unterstützt. Die ursprüngliche Idee besagte, dass Licht eine longitudinale Welle sei. Später erklärte Maxwell (1865), dass Licht eine elektromagnetische Welle hoher Frequenz ist, die sich mit der Geschwindigkeit $V = 3 \times 10^{8} \text{ m/s}$ ausbreitet. Sie besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, die senkrecht zur Ausbreitungsgeschwindigkeit und senkrecht zueinander stehen.
Heute wird Licht eine duale Natur zugeschrieben: Es verhält sich manchmal als Welle und manchmal als Partikel (Photonen), jedoch nie gleichzeitig. Dies drückt seinen doppelten Charakter aus.
B) Das Elektromagnetische Spektrum
Das Spektrum elektromagnetischer Wellen wird nach Frequenz und Wellenlänge unterteilt:
Radio- und TV-Wellen
Wellenlänge: Von mehreren Kilometern bis zu mehreren Metern. Frequenz: Von einigen Hz bis $10^{9} \text{ Hz}$.
Mikrowellen
Frequenz: $10^{9} \text{ Hz}$ bis $10^{11} \text{ Hz}$.
Infrarotstrahlung
Wellen, die von heißen Körpern emittiert werden. Es gibt Kameras, deren Sensoren auf Infrarotstrahlung reagieren. Frequenz: $4 \times 10^{11} \text{ Hz}$ bis $10^{14} \text{ Hz}$.
Sichtbares Licht
Es ist ein schmaler Streifen im Spektrum. Frequenz: $4 \times 10^{14} \text{ Hz}$ bis $8 \times 10^{14} \text{ Hz}$. Es reicht von Rot bis Violett. Diese Wellen sind die einzigen, die von der Netzhaut wahrgenommen werden und zur Sehkraft führen.
UV-Licht (Ultraviolett)
Es verursacht Bräunung, kann aber auch Hautkrebs verursachen. Der Großteil wird von der Ozonschicht absorbiert. Frequenz: $8 \times 10^{14} \text{ Hz}$ bis $10^{17} \text{ Hz}$.
Röntgenstrahlen (X-Strahlen)
Wellen höherer Frequenz, die Materie durchdringen. Sie werden vom menschlichen Körper absorbiert, können aber Krebs und genetische Störungen verursachen. Sie werden in der Medizin eingesetzt, da verschiedene Körperteile sie unterschiedlich absorbieren. Sie sind gefährlich. Frequenz: $10^{17} \text{ Hz}$ bis $10^{19} \text{ Hz}$.
Gammastrahlen
Sie werden bei Kernreaktionen erzeugt und durchdringen Materie sehr gut. Sie werden für die industrielle Radiographie verwendet. Sie sind sehr gefährlich. Frequenz: $10^{19} \text{ Hz}$ und höher.
Quantisierung der Energie
Alle diese Wellen breiten sich im Vakuum mit $3 \times 10^{8} \text{ m/s}$ aus.
Die Energie $(E)$ ist proportional zur Frequenz $(f)$ gemäß der Formel:
$$E = h \cdot f$$
Wobei $h$ die Plancksche Konstante ist ($h = 6,63 \times 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}$).
Die von einem Körper emittierte Energie wird in kleinen Paketen, genannt "Quanten", freigesetzt (Einstein nannte sie "Photonen"). Die Energie kann nicht unendlich geteilt werden; die minimale Energie, die freigesetzt werden kann, ist ein Quant.