LICHT: GESCHICHTE, NATUR, VERHALTEN, AUSBREITUNG - KÖRPERLICH - 2025

Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, die durch den Sehsinn erfasst werden kann. Es bildet einen Teil des elektromagnetischen Spektrums: das sogenannte sichtbare Licht. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Theorien vorgeschlagen, um seine Natur zu erklären.

Zum Beispiel wurde der Glaube, dass Licht aus einem Strom von Partikeln besteht, die von Objekten oder von den Augen von Beobachtern emittiert werden, lange aufrechterhalten. Dieser Glaube der Araber und der alten Griechen wurde von Isaac Newton (1642-1727) geteilt, um die Phänomene des Lichts zu erklären.

Abbildung 1. Der Himmel ist blau, da das Sonnenlicht in die Atmosphäre gestreut wird. Quelle: Pixabay.

Obwohl Newton vermutete, dass Licht Wellenqualitäten hat und Christian Huygens (1629-1695) es schaffte, Brechung und Reflexion mit einer Wellentheorie zu erklären, war der Glaube an Licht als Teilchen bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts unter allen Wissenschaftlern weit verbreitet. .

Zu Beginn dieses Jahrhunderts hat der englische Physiker Thomas Young zweifelsfrei gezeigt, dass Lichtstrahlen sich gegenseitig stören können, genau wie mechanische Wellen in Saiten.

Das konnte nur bedeuten, dass das Licht eine Welle und kein Teilchen war, obwohl niemand wusste, um welche Art von Welle es sich handelte, bis James Clerk Maxwell 1873 behauptete, Licht sei eine elektromagnetische Welle.

Mit Unterstützung der experimentellen Ergebnisse von Heinrich Hertz im Jahr 1887 wurde die Wellennatur des Lichts als wissenschaftliche Tatsache etabliert.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts tauchten jedoch neue Erkenntnisse über die Korpuskularität des Lichts auf. Diese Natur ist in Emissions- und Absorptionsphänomenen vorhanden, bei denen Lichtenergie in Paketen transportiert wird, die als „Photonen“ bezeichnet werden.

Da sich Licht als Welle ausbreitet und mit Materie wie ein Teilchen interagiert, wird derzeit im Licht eine duale Natur erkannt: Wellenteilchen.

Natur des Lichts

Es ist klar, dass die Natur des Lichts dual ist und sich als elektromagnetische Welle ausbreitet, deren Energie in Photonen kommt.

Diese, die keine Masse haben, bewegen sich im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300.000 km / s. Es ist die bekannte Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, aber Licht kann durch andere Medien wandern, wenn auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Wenn die Photonen unsere Augen erreichen, werden die Sensoren aktiviert, die das Vorhandensein von Licht erfassen. Die Informationen werden an das Gehirn übertragen und dort interpretiert.

Wenn eine Quelle eine große Anzahl von Photonen emittiert, sehen wir sie als helle Quelle. Wenn es im Gegenteil nur wenige emittiert, wird es als undurchsichtige Quelle interpretiert. Jedes Photon hat eine bestimmte Energie, die das Gehirn als Farbe interpretiert. Zum Beispiel sind blaue Photonen energetischer als rote Photonen.

Jede Quelle emittiert im Allgemeinen Photonen unterschiedlicher Energie, daher die Farbe, mit der sie gesehen wird.

Wenn nichts anderes Photonen mit einer einzigen Art von Energie emittiert, spricht man von monochromatischem Licht. Der Laser ist ein gutes Beispiel für monochromatisches Licht. Schließlich wird die Verteilung von Photonen in einer Quelle als Spektrum bezeichnet.

Eine Welle zeichnet sich auch durch eine bestimmte Wellenlänge aus. Wie bereits erwähnt, gehört Licht zum elektromagnetischen Spektrum, das einen extrem weiten Wellenlängenbereich von Radiowellen bis zu Gammastrahlen abdeckt. Das folgende Bild zeigt, wie ein weißer Lichtstrahl ein dreieckiges Prisma streut. Licht wird in lange (rot) und kurze (blau) Wellenlängen unterteilt.

In der Mitte befindet sich das schmale Wellenlängenband, das als sichtbares Spektrum bekannt ist und von 400 Nanometer (nm) bis 700 nm reicht.

Abbildung 2. Das elektromagnetische Spektrum zeigt den Bereich des sichtbaren Lichts. Quelle: Quelle: Wikimedia Commons. Verfasser: Horst Frank.

Verhalten von Licht

Licht hat wie untersucht ein Doppel-, Wellen- und Teilchenverhalten. Licht breitet sich wie eine elektromagnetische Welle aus und kann als solche Energie transportieren. Wenn Licht jedoch mit Materie interagiert, verhält es sich wie ein Teilchenstrahl, der Photonen genannt wird.

Abbildung 4. Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle. Quelle: Wikimedia Commons. SuperManu.

1802 demonstrierte der Physiker Thomas Young (1773-1829) mithilfe des Doppelspaltexperiments, dass Licht ein Wellenverhalten aufweist.

Auf diese Weise konnte er maximale und minimale Interferenzen auf einem Bildschirm erzeugen. Dieses Verhalten ist typisch für Wellen und so konnte Young nachweisen, dass Licht eine Welle ist, und auch seine Wellenlänge messen.

Der andere Aspekt des Lichts ist der eines Teilchens, dargestellt durch Energiepakete, sogenannte Photonen, die sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von c = 3 x 10 ⁸ m / s bewegen und keine Masse haben. Aber sie haben E-Energie:

Und auch Momentum der Größenordnung:

Dabei ist h die Plancksche Konstante, deren Wert 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekunde beträgt, und f ist die Frequenz der Welle. Kombinieren Sie diese Ausdrücke:

Und da die Wellenlänge λ und die Frequenz durch c = λf in Beziehung stehen, bleibt es:

Huygens-Prinzip

Abbildung 5. Wellenfront und Lichtstrahlen, die sich in einer geraden Linie ausbreiten. Quelle: Serway. R. Physik für Wissenschaft und Technik.

Bei der Untersuchung des Verhaltens von Licht sind zwei wichtige Prinzipien zu berücksichtigen: das Huygens-Prinzip und das Fermat-Prinzip. Das Prinzip von Huygens besagt:

Warum sphärische Wellen? Wenn wir annehmen, dass das Medium homogen ist, breitet sich das von einer Punktquelle emittierte Licht gleichmäßig in alle Richtungen aus. Wir können uns vorstellen, dass sich Licht in der Mitte einer großen Kugel ausbreitet und die Strahlen gleichmäßig verteilt sind. Wer dieses Licht beobachtet, nimmt wahr, dass es sich in einer geraden Linie in Richtung seines Auges bewegt und sich senkrecht zur Wellenfront bewegt.

Wenn die Lichtstrahlen von einer sehr entfernten Quelle kommen, beispielsweise der Sonne, ist die Wellenfront flach und die Strahlen sind parallel. Darum geht es beim Ansatz der geometrischen Optik.

Fermats Prinzip

Das Prinzip von Fermat besagt:

Dieses Prinzip verdankt seinen Namen dem französischen Mathematiker Pierre de Fermat (1601-1665), der es 1662 erstmals gründete.

Nach diesem Prinzip breitet sich Licht in einem homogenen Medium mit konstanter Geschwindigkeit aus, daher hat es eine gleichmäßige geradlinige Bewegung und seine Flugbahn ist eine gerade Linie.

Lichtausbreitung

Licht bewegt sich wie eine elektromagnetische Welle. Sowohl das elektrische Feld als auch das Magnetfeld erzeugen sich gegenseitig und bilden gekoppelte Wellen, die in Phase sind und senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen.

Im Allgemeinen kann eine sich im Raum ausbreitende Welle anhand der Wellenfront beschrieben werden. Dies ist die Menge von Punkten, die die gleiche Amplitude und Phase haben. Wenn man den Ort der Wellenfront zu einem bestimmten Zeitpunkt kennt, kann jeder nachfolgende Ort nach dem Huygens-Prinzip bekannt sein.

Beugung

Laser durch einen sechseckigen Schlitz gebeugt. Lienzocian

Das Wellenverhalten von Licht wird durch zwei wichtige Phänomene deutlich, die während seiner Ausbreitung auftreten: Beugung und Interferenz. Bei der Beugung werden Wellen, ob Wasser, Schall oder Licht, verzerrt, wenn sie durch Öffnungen, Hindernisse oder Ecken gehen.

Wenn die Apertur im Vergleich zur Wellenlänge groß ist, ist die Verzerrung nicht sehr groß, aber wenn die Apertur klein ist, ist die Änderung der Wellenform deutlicher. Beugung ist eine ausschließliche Eigenschaft von Wellen. Wenn Licht Beugung zeigt, wissen wir, dass es Wellenverhalten aufweist.

Interferenz und Polarisation

Die Interferenz von Licht tritt seinerseits auf, wenn sich die elektromagnetischen Wellen, aus denen sie bestehen, überlappen. Dabei werden sie vektoriell addiert, was zu zwei Arten von Interferenzen führen kann:

–Konstruktiv, wenn die Intensität der resultierenden Welle größer ist als die Intensität der Komponenten.

–Zerstörerisch, wenn die Intensität geringer ist als die der Komponenten.

Lichtwelleninterferenz tritt auf, wenn die Wellen monochromatisch sind und immer die gleiche Phasendifferenz beibehalten. Dies nennt man Konsistenz. Ein solches Licht kann beispielsweise von einem Laser kommen. Übliche Quellen wie Glühlampen erzeugen kein kohärentes Licht, da das von den Millionen Atomen im Filament emittierte Licht ständig seine Phase ändert.

Wenn jedoch ein undurchsichtiger Schirm mit zwei kleinen Öffnungen nahe beieinander auf derselben Glühbirne platziert wird, wirkt das Licht, das aus jedem Schlitz kommt, als zusammenhängende Quelle.

Wenn schließlich die Schwingungen des elektromagnetischen Feldes alle in die gleiche Richtung weisen, tritt eine Polarisation auf. Natürliches Licht ist nicht polarisiert, da es aus vielen Komponenten besteht, die jeweils in eine andere Richtung schwingen.

Youngs Experiment

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war der englische Physiker Thomas Young der erste, der mit einer gewöhnlichen Lichtquelle kohärentes Licht erhielt.

In seinem berühmten Doppelspaltexperiment ließ er Licht durch einen Schlitz in einem undurchsichtigen Bildschirm laufen. Nach dem Huygens-Prinzip werden zwei Sekundärquellen erzeugt, die wiederum durch ein zweites undurchsichtiges Sieb mit zwei Schlitzen geleitet werden.

Abbildung 6. Animation von Youngs Doppelspaltexperiment. Quelle: Wikimedia Commons.

Das so erhaltene Licht beleuchtete eine Wand in einem dunklen Raum. Was sichtbar war, war ein Muster, das aus abwechselnden hellen und dunklen Bereichen bestand. Die Existenz dieses Musters wird durch das oben beschriebene Phänomen der Interferenz erklärt.

Youngs Experiment war sehr wichtig, weil es die Wellennatur des Lichts enthüllte. Anschließend wurde das Experiment mit fundamentalen Teilchen wie Elektronen, Neutronen und Protonen mit ähnlichen Ergebnissen durchgeführt.

Phänomene des Lichts

Reflexion

Lichtreflexion im Wasser

Wenn ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche trifft, kann ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil absorbiert werden. Wenn es sich um ein transparentes Medium handelt, setzt sich ein Teil des Lichts durch das Medium fort.

Außerdem kann die Oberfläche glatt wie ein Spiegel oder rau und uneben sein. Die Reflexion, die auf einer glatten Oberfläche auftritt, wird als Spiegelreflexion bezeichnet, andernfalls handelt es sich um diffuse Reflexion oder unregelmäßige Reflexion. Eine hochglanzpolierte Oberfläche wie ein Spiegel kann bis zu 95% des einfallenden Lichts reflektieren.

Spiegelreflexion

Die Abbildung zeigt einen Lichtstrahl, der sich in einem Medium bewegt, bei dem es sich möglicherweise um Luft handelt. Es fällt unter dem Winkel & thgr; ₁ auf eine ebene Spiegelfläche und wird unter dem Winkel & thgr; ₂ reflektiert . Die als normal bezeichnete Linie verläuft senkrecht zur Oberfläche.

Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel. Quelle: Serway. R. Physik für Wissenschaft und Technik.

Sowohl der einfallende als auch der reflektierte Strahl und die Normale zur Spiegeloberfläche liegen in derselben Ebene. Die alten Griechen hatten bereits beobachtet, dass der Einfallswinkel dem Reflexionswinkel entspricht:

Dieser mathematische Ausdruck ist das Gesetz der Lichtreflexion. Es können jedoch auch andere Wellen wie beispielsweise Schall reflektiert werden.

Die meisten Oberflächen sind rau und daher ist die Lichtreflexion diffus. Auf diese Weise wird das von ihnen reflektierte Licht in alle Richtungen gesendet, sodass Objekte von überall aus gesehen werden können.

Da einige Wellenlängen stärker reflektiert werden als andere, haben Objekte unterschiedliche Farben.

Zum Beispiel reflektieren die Blätter von Bäumen Licht, das ungefähr in der Mitte des sichtbaren Spektrums liegt, das der Farbe Grün entspricht. Die restlichen sichtbaren Wellenlängen werden absorbiert: ultraviolettes Licht in der Nähe von Blau (350-450 nm) und Rotlicht (650-700 nm).

Brechung

Brechungsphänomen. Josell7

Die Lichtbrechung tritt auf, weil sich das Licht je nach Medium mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit c = 3 x 10 ⁸ m / s, aber wenn das Licht ein materielles Medium erreicht, entstehen Absorptions- und Emissionsprozesse, die dazu führen, dass die Energie und damit die Geschwindigkeit abnimmt.

Wenn sich Licht beispielsweise in der Luft bewegt, bewegt es sich mit fast der gleichen Geschwindigkeit wie c, aber in Wasser bewegt sich Licht mit drei Vierteln von c, während es sich in Glas mit ungefähr zwei Dritteln von c bewegt.

Brechungsindex

Der Brechungsindex wird mit n bezeichnet und als Quotient zwischen der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum c und seiner Geschwindigkeit in dem Medium v ​​definiert:

Der Brechungsindex ist immer größer als 1, da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer größer ist als in einem materiellen Medium. Einige typische Werte von n sind:

-Luft: 1.0003

-Wasser: 1,33

-Glas: 1.5

-Diamant: 2,42

Snells Gesetz

Wenn ein Lichtstrahl schräg auf die Grenze zwischen zwei Medien trifft, wie z. B. Luft und Glas, wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein anderer Teil setzt seinen Weg in das Glas fort.

In diesem Fall variieren die Wellenlänge und die Geschwindigkeit beim Übergang von einem Medium zum anderen, nicht jedoch die Frequenz. Da v = c / n = λ.f und auch im Vakuum c = λo. f, dann haben wir:

Das heißt, die Wellenlänge in einem gegebenen Medium ist immer kleiner als die Wellenlänge im Vakuum λo.

Abbildung 8. Snellsches Gesetz. Quelle: Linke Abbildung: Diagramm der Lichtbrechung. Rex, A. Grundlagen der Physik. Rechte Abbildung: Wikimedia Commons. Josell7.

Beachten Sie die Dreiecke mit einer gemeinsamen Hypotenuse in Rot. In jedem Medium misst die Hypotenuse λ ₁ / sin θ ₁ bzw. λ ₂ / sin θ ₂ , da λ und v proportional sind, daher:

Da λ = λ _o / n ist, haben wir:

Was ausgedrückt werden kann als:

Dies ist die Formel des Snellschen Gesetzes zu Ehren des niederländischen Mathematikers Willebrord Snell (1580-1626), der es experimentell ableitete, indem er das Licht beobachtete, das von Luft zu Wasser und Glas gelangt.

Alternativ wird das Snellsche Gesetz in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit in jedem Medium geschrieben, wobei die Definition des Brechungsindex verwendet wird: n = c / v:

Dispersion

Wie oben erläutert, besteht Licht aus Photonen mit unterschiedlichen Energien, und jede Energie wird als Farbe wahrgenommen. Weißes Licht enthält Photonen aller Energien und kann daher in verschiedenfarbige Lichter zerlegt werden. Dies ist die Lichtstreuung, die Newton bereits untersucht hatte.

Wassertropfen in der Atmosphäre verhalten sich wie kleine Prismen. Quelle: Pixabay.

Newton nahm ein optisches Prisma, ließ einen weißen Lichtstrahl hindurch und erhielt farbige Streifen von rot bis violett. Dieser Streifen ist das in Abbildung 2 gezeigte Spektrum des sichtbaren Lichts.

Die Streuung von Licht ist ein natürliches Phänomen, dessen Schönheit wir am Himmel bewundern, wenn sich der Regenbogen bildet. Sonnenlicht fällt auf Wassertropfen in der Atmosphäre, die wie winzige Newton-ähnliche Prismen wirken und so das Licht streuen.

Die blaue Farbe, mit der wir den Himmel sehen, ist auch eine Folge der Zerstreuung. Die Atmosphäre ist reich an Stickstoff und Sauerstoff und verteilt hauptsächlich Blau- und Violetttöne. Das menschliche Auge reagiert jedoch empfindlicher auf Blau, und daher sehen wir den Himmel dieser Farbe.

Wenn die Sonne am Horizont niedriger ist, während des Sonnenaufgangs oder Sonnenuntergangs, wird der Himmel orange, da die Lichtstrahlen durch eine dickere Schicht der Atmosphäre hindurchtreten müssen. Die rötlichen Töne niedrigerer Frequenzen interagieren weniger mit den Elementen der Atmosphäre und nutzen den Vorteil, um die Oberfläche direkt zu erreichen.

Staub- und verschmutzungsreiche Atmosphären wie in einigen Großstädten haben aufgrund der Streuung niedriger Frequenzen einen grauen Himmel.

Theorien über Licht

Licht wurde hauptsächlich als Teilchen oder als Welle betrachtet. Die Korpuskulartheorie, die Newton verteidigte, betrachtete Licht als einen Teilchenstrahl. Während Reflexion und Brechung angemessen erklärt werden könnten, wenn man annimmt, dass Licht eine Welle ist, wie Huygens argumentierte.

Doch lange vor diesen bemerkenswerten Wissenschaftlern hatten die Menschen bereits über die Natur des Lichts spekuliert. Unter ihnen konnte der griechische Philosoph Aristoteles nicht fehlen. Hier ist eine kurze Zusammenfassung der Theorien des Lichts im Laufe der Zeit:

Aristotelische Theorie

Vor 2.500 Jahren behauptete Aristoteles, dass Licht aus den Augen des Betrachters austrat, Objekte beleuchtete und auf irgendeine Weise mit dem Bild zurückkehrte, damit es von der Person wahrgenommen werden konnte.

Newtons Korpuskulartheorie

Newton glaubte, dass Licht aus winzigen Teilchen bestand, die sich in einer geraden Linie in alle Richtungen ausbreiteten. Wenn sie die Augen erreichen, registrieren sie die Empfindung als Licht.

Huygens-Wellentheorie

Huygens veröffentlichte eine Arbeit namens Abhandlung über Licht, in der er vorschlug, dass dies eine Störung des Mediums ähnlich wie Schallwellen sei.

Maxwells elektromagnetische Theorie

Obwohl das Doppelspaltexperiment keinen Zweifel an der Wellennatur des Lichts ließ, gab es während eines Großteils des neunzehnten Jahrhunderts Spekulationen über die Art der Welle, bis Maxwell in seiner elektromagnetischen Theorie feststellte, dass Licht aus dem besteht Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes.

Licht als elektromagnetische Welle erklärt die Ausbreitungsphänomene von Licht, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, und ist ein Konzept, das von der gegenwärtigen Physik akzeptiert wird, ebenso wie die korpuskuläre Natur von Licht.

Einsteins Korpuskulartheorie

Nach der modernen Auffassung von Licht besteht es aus masselosen und ungeladenen Teilchen, die Photonen genannt werden. Obwohl sie keine Masse haben, haben sie Impuls und Energie, wie oben erläutert. Diese Theorie erklärt erfolgreich die Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert, indem Energie in diskreten (quantisierten) Größen ausgetauscht wird.

Die Existenz von Lichtquanten wurde von Albert Einstein vorgeschlagen, um den von Heinrich Hertz einige Jahre zuvor entdeckten photoelektrischen Effekt zu erklären. Der photoelektrische Effekt besteht in der Emission von Elektronen durch eine Substanz, auf die irgendeine Art von elektromagnetischer Strahlung einwirkt, fast immer im Bereich von ultraviolettem bis sichtbarem Licht.

Verweise

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