Reflexion, Brechung und Welle-Teilchen-Dualismus

Gesetze der Reflexion und Brechung

Wenn eine Welle auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex trifft, wird ein Teil der Welle reflektiert und ein Teil gebrochen (in das andere Medium übertragen). Die Gesetze der Reflexion und Brechung besagen:

• Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und der gebrochene Strahl liegen in der gleichen Ebene, der Einfallsebene, die senkrecht zur Oberfläche steht.
• Der Einfallswinkel θ_i und der Reflexionswinkel θ_r sind gleich.
• Der Einfallswinkel und der Übertragungs- bzw. Brechungswinkel θ_t hängen über das Snellius-Gesetz zusammen: n₁ · sin(θ_i) = n₂ · sin(θ_t), wobei n₁ und n₂ die Brechungsindizes des ersten und zweiten Mediums sind.

Das Snellius-Gesetz bedeutet, dass Licht beim Übergang in ein Medium mit höherem Brechungsindex zum Lot hin gebrochen wird (und vom Lot weg, wenn das zweite Medium einen niedrigeren Brechungsindex hat). Das Gesetz kann auch über die Lichtgeschwindigkeit in den beiden Medien ausgedrückt werden, da n = c/v gilt.

Photonen-Konzept und Welle-Teilchen-Dualismus

Um bestimmte Phänomene der Emission und Absorption von Licht durch Materie zu erklären, einschließlich des photoelektrischen Effekts, griff Einstein auf die Teilchentheorie der Natur des Lichts zurück. Er nahm an, dass die Energie elektromagnetischer Strahlung nicht kontinuierlich, sondern diskret ist. Eine elektromagnetische Welle der Frequenz ν besteht demnach aus Quanten oder Korpuskeln, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Jedes dieser Quanten besitzt eine Energie E = hν (wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist) und einen Impuls p = h/λ. Diese Quanten werden als Photonen bezeichnet.

Einsteins Theorie setzte die elektromagnetische Theorie des Lichts nicht außer Kraft. Die moderne Physik führte den Welle-Teilchen-Dualismus ein, der besagt, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt:

• Bei der Wechselwirkung mit Materie verhält sich Licht wie ein Strom von Teilchen (Photonen) mit Energie und Impuls.
• Bei der Ausbreitung, Beugung oder Interferenz verhält sich Licht wie eine Welle, charakterisiert durch Wellenlänge und Frequenz.

Später schlug de Broglie aus Symmetriegründen vor, dass auch Materie einen Welle-Teilchen-Dualismus aufweist, sodass jedem Teilchen eine Welle zugeordnet ist. Die zugehörige Wellenlänge ist auf makroskopischer Ebene extrem klein, weshalb Materiewellen nur auf mikroskopischer Ebene in Erscheinung treten.