Optik

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Die Optik ist ein Teilgebiet der Physik. Wie der Name „Optik“ (altgriechisch: optikós‚ „zum Sehen gehörend“) bereits sagt, beschäftigt sie sich mit der Ausbreitung, Reflexion und Brechung von Licht. Außerdem erläutert sie Licht und sein Verhalten in verschiedenen Modellen. Sie untersucht somit was Licht ist, wie es entsteht und wie es sich bei Konfrontation mit anderer Materie bzw. Materialien verhält. In diesem Artikel erfährst du über die verschiedenen Teilbereiche, das Huygens´sche Prinzip sowie die Geschichte der Optik.


Welche Bereiche gibt es in der Optik?

In der Optik gibt es mehrere Teilbereiche. Das kommt daher, dass Licht viele Eigenschaften hat, die nicht nur einer einzigen Kategorie zugeordnet werden können. Es kann unterschieden werden zwischen:


  • Strahlenoptik 
  • Wellenoptik
  • Quantenoptik 

Strahlenoptik

In diesem Teilbereich werden Licht und optische Erscheinungen als Lichtstrahl modelliert. Wenn du an den Begriff „Sonnenstrahl“ denkst, hast du sicher einen Lichtstrahl vor deinem geistigen Auge, der von der Sonne aus gerade zu dir verläuft. Als genau das wird das Licht bzw. der Lichtstrahl untersucht. Interessant sind hierbei die Ausbreitung (in einem Medium), Reflexion und Brechung dieses Lichtstrahles, sowie das Verhalten an optischen Linsen.


Spezifische Themen der Strahlenoptik sind zum Beispiel:



Als kurzes Beispiel: Du liest das hier gerade an deinem Handy oder PC, kannst um dich herumschauen und siehst was dort ist. Das kommt daher, dass Licht bzw. Lichtstrahlen in dein Auge fallen und du somit die Information um dich herum wahrnehmen kannst. Da du in einem Raum sitzt, nicht direkt in die Sonne oder Raumleuchte schaust und trotzdem etwas siehst, muss der Lichtstrahl von etwas reflektiert worden sein. Vielleicht wurde der Sonnenstrahl sogar in der Fensterscheibe gebrochen, sodass er in auf deinen Tisch scheint und von dort in dein Auge reflektiert wird.


Wellenoptik

Nun gibt es Phänomene wie die Beugung von Lichtstrahlen an schmalen Spalten und kleinen Öffnungen, die nicht mit dem Modell des Lichtstrahles erklärt werden können. Nach der Strahlenoptik würde ein Lichtstrahl geradlinig weiterverlaufen, egal wie klein eine Öffnung ist. 


Bei der Wellenoptik wird das Licht als Lichtwelle modelliert. Das bedeutet, dass das Licht vom Ausgangspunkt aus in Wellenform reist. Dabei besitzt es eine Wellenlänge λ („Lambda“). Dieses Modell hilft sowohl die Lichtbeugung, als auch die folgenden Aspekte zu erklären: 


  • Interferenz bzw. Überlagerung von Licht
  • Eigenschaften und Wahrnehmung verschiedener Farben
  • Polarisation von Licht


Huygens´sches Prinzip

Zur Veranschaulichung von Licht als Welle gehen wir zurück zur Beugung von Lichtstrahlen. Wie bereits erwähnt „beugt“ sich Licht an schmalen Spalten. Als Versuch lässt man eine Lichtwelle auf einen kleinen Spalt treffen. 



Man kann beobachten, dass sich das Licht, nachdem es durch den Spalt reiste, nach außen beugt (blaue Linien). Daher wird dieses Phänomen Lichtbeugung genannt. Diese Beugung kann durch das Huygens´sche Prinzip erklärt werden.


Dieses besagt: Jeder Punkt, der von einer Welle getroffen wird, ist Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle. Jegliche Elementarwellen überlagern sich zu einer neuen Wellenfront.


In unserem Fall heißt das: Die Elementarwelle (Lichtwelle der Taschenlampe) trifft auf den Spalt und breitet sich im Spalt weiterhin wellenförmig aus. An der anderen Öffnung des Spaltes angekommen, trifft die Welle auf das Ende des Spaltes und der Spalt selber wird zum Ausgangsort einer neuen Elementarwelle (Wellenfront):



Vergleich von Wellen- und Strahlenoptik

Das Verhalten des Lichtes nach dem kleinen Spalt kann nicht mit der Strahlenoptik erklärt werden. Sie versagt bei der Begründung der Beugung des Lichts. Die Strahlenoptik eignet sich gut zur Beschreibung von Reflexion und Brechung sowie des Strahlenverlaufs bei Spiegeln, Linsen und optischen Geräten. Jedoch kann sie bei einigen Verhaltensweisen von Licht keine Erklärung liefern. Sie ist eine vereinfachte Darstellung von Licht. 


Die Wellenoptik hingegen kann beschreiben, wie sich die Farben unterscheiden (Wellenlängen) und weshalb und wie Licht interferiert und sich beugt. Sie gibt also einen tieferen Einblick in das Verhalten von Licht.


Quantenoptik

In der Quantenoptik wird Licht mit „Lichtteilchen“/ Lichtquanten bzw. Photonen modelliert. Sie untersucht die Wechselwirkungen von Licht und Materie. Licht wird als sehr viele kleine „Energiepakete“ beschrieben, die jeweils ein sogenanntes Energiequantum h besitzen. Das gesamte Licht bzw. Strahlungsfeld besitzt dann die Energie des Energiequantums h multipliziert mit der Frequenz der Strahlung. Quantenphysik kann sowohl alltäglich als auch sehr spezifisch sein.


Als Beispiel: Im Sommer wird dein schwarzes T-Shirt warm, wenn du in der Sonne stehst. Das Licht bzw. Photonen haben Energie an dein T-Shirt abgegeben. 

Gleichzeitig gibt es sehr wissenschaftliche Anwendungsweisen der Quantenphysik. Bei der sogenannten Laserkühlung werden die Atome eines Gases mit Photonen beschossen. Diese Atome absorbieren dieses Photon und seine Energie. Durch diesen Prozess kann ein Hüllenelektron des Atoms in einen angeregten Zustand versetzt werden, der genauso spontan wieder „zerfallen“ kann. Bei diesem „Zerfall“ wird das Photon inklusive Energie wieder weggeschossen und das Atom erleidet einen  Rückstoß, wodurch das Gas abkühlt.


Geschichte der Optik


Wie in jedem Teilgebiet gab es in der Optik große Entdeckungen, die interessantes Wissen zu jeglichen Wissenschaften beisteuerten. Hier ein paar historische Daten zu Personen der Optik:


  • Euklid (ca. 300 v.Chr./Alexandria) spricht bereits von der geradlinigen Lichtausbreitung. Allerdings geht er davon aus, dass unsere Sehstrahlen vom Auge aus gehen. Er formuliert das Reflexionsgesetz und untersucht den Zusammenhang zwischen der scheinbaren Größe eines Gegenstandes und dem Sehwinkel.

  • Claudius Ptolemäus (ca. 100 - 160 n.Chr.): Von ihm stammen die ersten Tafeln, welche den Zusammenhang zwischen dem Einfalls- und dem Brechungswinkel beschreiben.

  • Snellius (1580 - 1626) beschreibt das Brechungsgesetz quantitativ.

  • Isaac Newton (1642 - 1727) gelingt die systematische Zerlegung des weißen Lichts in die Spektralfarben mit Hilfe eines Prisma.

  • Christiaan Huygens (1629 - 1695) deutete die Reflexion, Brechung und Beugung mit dem Wellenmodell des Lichts (Huygen'sches Prinzip). Ähnlich wie beim Schall die Luft das Ausbreitungsmedium darstellt, schlägt Huygens, als Ausbreitungsmedium für das Licht, den sogenannten Äther vor.

  • James Clerk Maxwell (1831 - 1879) stellt eine Theorie des Elektromagnetismus auf, aus der sich die Existenz elektromagnetischer Wellen ergibt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Licht wird als elektromagnetische Welle erkannt.

  • Heinrich Hertz (1857 - 1894) kann als erster, die von Maxwell postulierten, elektromagnetischen Wellen im Labor erzeugen und beweisen, dass sie sich wie Licht verhalten (Spiegelung, Brechung, Beugung, Interferenz).

  • Albert Einstein (1879 - 1955) nahm zur Deutung des Photoeffekts an, dass das Licht aus kleinsten Energie-Quanten, den Photonen, besteht. In der modernen Quantenphysik geht man davon aus, dass sich Licht weder wie eine klassische Welle (Huygens) noch wie ein klassisches Teilchen (Newton) verhält. Licht zeigt sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter.


Optik- Alles Wichtige auf einen Blick

  • Optik beschreibt die Lehre des Lichts
  • Die Strahlenoptik modelliert Licht als Lichtstrahlen und untersucht ihre Ausbreitung, Brechung und Reflektion
  • Die Wellenoptik beschreibt Licht als Lichtwelle mit bestimmter Wellenlänge. Sie untersucht Interferenzen von Licht und Lichtbeugung genauer
  • Das Huygens´sche Prinzip besagt, dass jeder von einer Welle getroffener Punkt einen Ausgangsort für eine neue Elementarwelle darstellt
  • Die Quantenoptik modelliert Licht mit Lichtquanten bzw. Photonen die Energie besitzen
  • Licht besitzt Wellen- und Quanten-Charakteristika

Finales Optik Quiz

Frage

Was passiert mit den Lichtstrahlen, wenn sie schräg auf ein lichtdurchlässiges Medium (z.B. Glas) treffen?

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Antwort

Die Lichtstrahlen werden zum Teil reflektiert und zum Teil gebrochen.

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Frage

Warum ändert sich der Winkel der Lichtstrahlen zum Lot beim Übergang von Luft zu Glas?

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Antwort

Im Medium Luft können sich die Lichtstrahlen schneller ausbreiten als im Medium Glas.

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Frage

Welcher Zusammenhang besteht bei der Geschwindigkeit des Lichts in einem Medium und der optischen Dichte eines Mediums?

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Antwort

Je niedriger die Geschwindigkeit des Lichts in einem Medium, desto höher ist die optische Dichte des Mediums.

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Frage

Welche Begriffe für das Brechungsgesetz werden in der Literatur auch noch verwendet?

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Antwort

Das Brechungsgesetz ist auch unter den Begriffen Snelliussches Brechungsgesetz oder Snellius-Gesetz bekannt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Brechzahl n?

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Antwort

Die Brechzahl n ist der Quotient der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Geschwindigkeit des Lichts im Medium.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Begriff für die Brechzahl n wird auch noch verwendet?

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Antwort

Ein weiterer Begriff für die Brechzahl n ist der Brechungsindex n.

Frage anzeigen

Frage

Welche Brechzahl n hat Vakuum?

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Antwort

Vakuum hat eine Brechzahl von 1, da die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum durch ebenfalls die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum geteilt wird.

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