Was ist Licht? Über diese Frage spalten sich seit Jahrhunderten die Geister. Eine mögliche Antwort auf dieses Problem fand der Physiker Thomas Young im Jahr 1802, als er mithilfe des Doppelspaltexperiments die Eigenschaften von Licht als Welle beschrieb.
Circa hundert Jahre später deutete Albert Einstein den Photoeffekt als Beweis für die Existenz von Lichtquanten, den Photonen, und belegte so wiederum den Teilchencharakter. Heute ist der allgemeine Konsens unter Physikern, dass beide recht hatten. Aber wie kann das denn sein?
Lichtwellen Eigenschaften
Tatsächlich kann Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden. Diese Eigenschaft ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt. Licht wird allein in der Quantenelektrodynamik, also einem recht komplexen und modernen Zweig der Physik, erst vollständig beschrieben.
Dennoch bietet es sich in vielen Fällen an, Licht nur als Welle zu betrachten. Dies ist zum Beispiel in der Wellenoptik der Fall, wenn Phänomene auftreten, die mithilfe der klassischen Physik nicht erklärt werden können.
Eine der Grundlagen für diese Erklärungen stellt das Huygenssche Prinzip dar.
Lichtwellen – Huygenssches Prinzip
Das Huygens Prinzip, benannt nach dem niederländischen Physiker Christiaan Huygens, beschreibt die Ausbreitung von Wellen.
Das Huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Welle den Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle darstellt. Die Elementarwelle breitet sich mit gleicher Frequenz und Geschwindigkeit wie die ursprüngliche Welle aus.
Diese Regel beschränkt sich jedoch nicht nur auf Lichtwellen, sondern lässt sich auch im Alltag verifizieren.
Wenn Du mehr zu diesem Thema erfahren möchtest, kannst Du in die Erklärung zum Huygensschen Prinzip hereinschauen.
Betrachtest Du zum Beispiel im Schwimmbad eine ebene Welle, die auf ein Hindernis mit kleinem Spalt trifft, bildet sich hinter dem Hindernis eine Kreiswelle (die Elementarwelle). Diese breitet sich von der Öffnung aus.
Abb. 1 - Ausbreitung einer Wasserwelle nach einem Hindernis
Dieser Prozess kann auch auf einer größeren Skala betrachtet werden, wie zum Beispiel am Strand, wenn eine Wellenfront auf Felsen trifft.
Insbesondere gehorchen auch Lichtwellen dem Huygensschen Prinzip. Dies ist jedoch nicht die einzige wesentliche Eigenschaft von Lichtwellen.
Lichtwellen – Polarisation
Eine weitere Eigenschaft von Lichtwellen ist die Polarisation. Diese bestätigt, dass Licht als Transversalwelle aufgefasst werden kann.
Die Polarisation beschreibt die Richtung der Schwingung einer Transversalwelle, also unter anderem auch Licht.
Eine Transversalwelle ist eine Welle, bei der der Schwingungsvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht.
In Abbildung 2 wird ein Fall von Polarisation dargestellt: Sowohl die rote als auch die blaue Welle breitet sich in x-Richtung aus, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer Schwingungsrichtung.
Abb. 2 - Grafische Darstellung zwei verschiedener Polarisationsrichtungen
Aus dieser Erscheinung folgt, dass Licht als Welle abhängig von seiner Schwingungsrichtung ein Gitter passieren kann oder nicht. Eine Anwendung dieses Phänomens ist der Polarisationsfilter, wie er oft in der Fotografie eingesetzt wird.
Mehr zur Polarisation erfährst Du in der dazugehörigen Erklärung.
Die Tatsache, dass solche Geräte existieren und auch in ihrer Anwendung funktionieren, verifiziert als eines von vielen Beispielen die Wellennatur von Licht.
Aber wie genau sieht denn nun eine Lichtwelle aus?
Lichtwellen Definition
Eine allgemeine Definition für Lichtwellen folgt aus den Maxwell Gleichungen. Sie sagen die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus und auch, dass diese sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Daraus folgte für Physiker, dass Licht auch eine Form elektromagnetischer Wellen sein muss.
Licht kann allgemein als elektromagnetische Welle aufgefasst werden. Dieses breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, also mit etwa \(299\, 792 \frac{km}{h}\) im Vakuum.
Eine Lichtwelle kann dabei ganz analog zu anderen Wellen, wie zum Beispiel mechanischen Wellen oder Schallwellen beschrieben werden, nämlich mithilfe charakteristischer Größen. Diese sind unter anderem Wellenlänge, Frequenz und Amplitude.
Zusammengefasst werden die charakteristischen Größen in der Wellengleichung.
Die Wellengleichung beschreibt die momentane Auslenkung der Welle am Ort x nach einer Zeit t.
Im Allgemeinen hat sie folgende Form:\[y(x, t) = y_{max} \cdot \sin\left(\frac{2\pi}{\lambda}\cdot x - \frac{2\cdot \pi}{T}\cdot t\right)\]
Dabei entspricht y der momentanen Auslenkung, \(y_{max}\) der maximalen Auslenkung (Amplitude), λ der Wellenlänge und T der Periode.
Betrachtest Du speziell eine Lichtwelle, so entspricht die Amplitude der Intensität, also Helligkeit des Lichts.
Die Wellenlänge entspricht dem räumlichen Abstand zweier Wellenberge. Sie kann beispielsweise aus einem Diagramm abgelesen werden, bei dem man die Welle zu einem festen Zeitpunkt darstellt.
Abbildung 3: Darstellung einer Welle bei festem Zeitpunkt
Hier wird also die Auslenkung y der Welle gegen die Position x aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist auch die Einheit der Wellenlänge zu erkennen, nämlich Meter, also gilt \([\lambda] = m\).
Die Periode T beschreibt ganz analog den zeitlichen Abstand zweier Maxima einer Welle.
Abbildung 4: Darstellung einer Welle an einem festen Ort
Bei einem Diagramm wie in Abbildung 4 wird die Auslenkung y gegen die Zeit t aufgetragen, und zwar an einer festen Position.
Lichtwellen Frequenz
Für Lichtwellen besteht zwischen der Wellenlänge λ und Frequenz f, die der Kehrwert der Periode ist, ein besonderer physikalischer Zusammenhang.
Die Frequenz f ist definiert als der Kehrwert der Periode T einer Welle und damit\[f=\frac{1}{T}\]
Angegeben wird die Frequenz in Hertz, abgekürzt \(Hz\).
Es gilt\[\lambda\cdot f=c\]
Dabei ist f die Frequenz und c die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich alle Lichtwellen ausbreiten. Weil diese für alle Lichtwellen konstant ist, kann zum Beispiel die Frequenz berechnet werden, sofern die Wellenlänge der Welle bekannt ist.
Dennoch lässt sich nicht nur die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit anhand von Wellenlänge und Frequenz überprüfen. Diese Größen definieren auch andere Eigenschaften des Lichts, die mit bloßem Auge in Form von Farben wahrzunehmen sind.
Lichtwellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen. Zu diesem Spektrum gehören auch beispielsweise Radio- oder Mikrowellen.
Eine wesentliche Eigenschaft von Lichtwellen ist, im Gegensatz zu anderen elektromagnetischen Wellen, dass sie sichtbar sind. Damit macht Licht den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums aus.
Abb. 5 - Das elektromagnetische Spektrum
Beispielsweise kannst Du so einen Laserstahl oder auch das Sonnenlicht wahrnehmen und ihnen in den meisten Fällen eine Farbe zuordnen.
Aber wie genau hängt nun die Farbe mit der Frequenz zusammen?
Lichtwellen Farben
Die Frequenz des Lichts gibt gerade vor, welche Farbe dieses Licht hat. Das sichtbare Licht befindet sich in einem Frequenzbereich von etwa \(3{,}8 \cdot 10^{14}\, Hz\) bis \(7{,}7\cdot 10^{14}\, Hz\).
Die Frequenz, beziehungsweise die Wellenlänge von Licht, legt dessen Farbe fest. Die Gesamtheit der Farben, die der Mensch wahrnehmen kann, wird Farbspektrum genannt.
Da die Frequenz aber nicht besonders anschaulich ist, ist es in der Physik üblich, die Farbe über die Wellenlänge auszudrücken. Diese erhältst Du aus der obigen Formel, indem Du nach λ umstellst, also
\[\lambda = \frac{c}{f}\]
So folgt für blaues Licht eine Wellenlänge von 460 nm. Diese Größe ist sehr klein. Betrachtest Du etwa den Durchmesser eines menschlichen Haars, der etwa bei 0,06 mm liegt, so ist die durchschnittliche Wellenlänge von Licht etwa 120 Mal kleiner.
Eine Abhängigkeit zwischen Farbe und Wellenlänge im Speziellen findest Du in der folgenden Abbildung.
Abb. 6 - Sichtbares Spektrum von Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge
Werden alle diese Farben auf einmal betrachtet, scheint das Licht farblos zu sein, wie es bei Sonnenlicht der Fall ist. Diese Erscheinung ist als weißes Licht bekannt.
Diese Darstellung des Spektrums kannst Du zum Beispiel nutzen, um die Farbe eines Lasers, dessen Wellenlänge Du kennst, abzuschätzen.
Aufgabe:
Für ein Experiment wird ein Laser mit der Frequenz \(f=5\cdot 10^{14}\, Hz\) verwendet. Welche Farbe hat das Licht, das vom Laser emittiert wird?
Lösung:
Um die Farbe des Lichts zu bestimmen, musst Du zuerst die Wellenlänge berechnen. Dafür kannst Du die obige Formel nutzen und die Werte für f und c einsetzen.
\begin{align} \lambda &= \frac{c}{f}\\&=\frac{299\,792\, 458 \frac{m}{s}}{5\cdot 10^{14}\frac{1}{s}}\\&=6\cdot 10^{-7}\, m\\&=600\, nm\end{align}
Aus Abbildung 5 kannst Du nun ablesen, dass eine Wellenlänge von etwa 600 nm orangefarbenem Licht entspricht.
Das linke Ende des Spektrums ist der UV Bereich, kurz für ultravioletter Bereich. Am rechten Ende ist der Infrarot-Bereich. Obwohl beide Bereiche für Menschen nicht mehr sichtbar sind, haben sie trotzdem Auswirkungen auf Individuen und die Umwelt.
So ist zum Beispiel UV-Licht, dessen Quelle die Sonne ist, dafür verantwortlich, dass viele Personen im Sommer braun werden oder sogar einen Sonnenbrand bekommen.
Obwohl als Licht der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet wird, spricht man auch bei ultravioletter oder infraroter Strahlung von Licht.
Aber warum hat dieses Licht Effekte auf Menschen, wenn man es doch gar nicht wahrnehmen kann?
Lichtwellen Energie
Eine Antwort auf diese Frage, warum oft nur die Wirkung von Licht und nicht dieses selbst wahrgenommen wird, lässt sich nicht mehr im Wellenmodell von Licht finden.
Licht kann sowohl als Welle als auch als Teilchen beschrieben werden. In der Quantenmechanik wird demnach Licht als Teilchen dargestellt, dem gleichzeitig eine Wellenlänge zugeordnet werden kann.
Ein Lichtteilchen wird in der Quantenmechanik Photon genannt. Diesem werden eine Wellenlänge λ und eine Frequenz f zugeordnet.
Die Energie E eines einzelnen Photons ist gegeben durch das Produkt aus dem planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz f: \[E=h\cdot f\]
Möchtest Du mehr zu Photonen in der Quantenmechanik erfahren? Dann schau doch in die Erklärung zum Quantenobjekt Photon rein.
Die Formel wurde von Albert Einstein zur Erklärung des Photoeffekts aufgestellt, mehr dazu kannst Du in der gleichnamigen Erklärung lesen.
Je größer also die Frequenz ist, desto größer ist auch die Energie. Weil die Wellenlänge antiproportional zur Frequenz ist, gilt für diese: je kleiner die Wellenlänge, desto größer ist die Energie.
Menschen können ultraviolettes Licht nicht selbst wahrnehmen, allerdings dessen Energie, die eine Wirkung auf den Körper hat, zum Beispiel bei einem Sonnenbrand. Wegen der kurzen Wellenlänge hat ultraviolettes Licht eine besonders hohe Energie, die im Extremfall auch zu Hautkrebs führen kann.
Die Energie von Licht kann aber auch positiv genutzt werden: Beispielsweise wird sie mithilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt.
Dennoch sind die Eigenschaften von Licht nicht nur in der Energieindustrie Technik von Bedeutung, sondern bieten in der Experimentalphysik Grundlagen für viele aufschlussreiche Experimente.
Lichtwellen – Interferenzexperimente
Neben den Eigenschaften von Lichtwellen, die Du bereits in den oberen Abschnitten kennengelernt hast, stehen im Zentrum vieler physikalischer Experimente andere Eigenarten.
So ist zwar die Polarisation eine Bestätigung der Wellennatur von Licht, aber Beweise wurden durch zwei andere Eigenschaften geführt, nämlich Beugung und Interferenz.
Interferenz beschreibt die Überlagerung von Wellen. Unterschieden wird dabei zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz.
Bei konstruktiver Interferenz treffen zwei Wellenberge oder zwei Wellentäler aufeinander. Das bedeutet, die Wellen verstärken sich gegenseitig.
Die destruktive Interferenz beschreibt das Gegenteil: Hier treffen Wellenberg und Wellental aufeinander. Dort schwächen sich die Wellen ab oder löschen sich aus.
Mehr zum Thema Interferenz erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.
Abb. 7 - Entstehung von konstruktiver und destruktiver Interferenz
Eine wichtige Voraussetzung für das Auftreten von Interferenz ist eine spezifischere Eigenschaft von Licht, die aber nicht im Allgemeinen von allen Lichtwellen erfüllt werden muss.
Lichtwellen – Kohärenz
Damit Interferenz stattfinden kann, müssen die Lichtwellen bestimmte Gemeinsamkeiten haben. Diese werden mithilfe des Kohärenzbegriffs erklärt.
Sind zwei Wellen kohärent, bedeutet das, sie haben die gleiche Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dabei unterscheiden sie sich nur in einer konstanten Phase.
Die Phase beschreibt dabei den Abschnitt innerhalb einer Periode, in dem sich die Welle gerade befindet.
Diese Eigenschaft wird besonders häufig in der Laseroptik und sogar zur Erstellung von Hologrammen benutzt.
Möchtest Du mehr zum Thema Kohärenz erfahren? Dann schau doch in die dazugehörige Erklärung herein.
Eine wichtige Grundlage stellt sie jedoch für das Doppelspaltexperiment dar, mit dem der Physiker Thomas Young erstmals die Welleneigenschaft von Licht nachwies.
Lichtwellen – Interferenz am Doppelspalt
Der Aufbau des Doppelspaltexperiments ist zunächst recht unspektakulär: Kohärentes Licht wird auf zwei eng benachbarte, dünne Spalte gestrahlt. In einiger Entfernung hinter dem Spalt wird nun ein Schirm platziert, auf dem bei richtiger Anordnung ein Muster zu erkennen sein sollte.
Abb. 8 - Versuchsaufbau des Doppelspaltexperiments
Dieses Muster ist als Interferenzmuster bekannt und zeichnet sich durch abwechselnd helle und dunkle Bereiche aus.
Grund hierfür sind die konstruktive und destruktive Interferenz: An den hellen Stellen treffen zwei Wellenberge aufeinander, wodurch sich die Wellen verstärken. An den dunklen Stellen treffen Wellenberg und Wellental aufeinander, sodass die Welle abgeschwächt wird.
Die Bereiche sind auch als Interferenzmaxima und -minima bekannt.
Wie Du diese berechnen kannst und wie sie mit der Wellenlänge des Lichts zusammenhängen, erfährst du in der Erklärung Interferenz am Doppelspalt.
Werden nun immer mehr Spalte hinzugefügt, geht der sogenannte Mehrfachspalt in ein Gitter über.
Optisches Gitter
Das optische Gitter stellt umgangssprachlich gesagt den großen Bruder des Doppelspalts dar.
Ein Gitter ist in der Physik eine periodische Struktur, hinter der Licht interferiert.
Beim optischen Gitter ist der Versuchsaufbau ähnlich zu dem des Doppelspaltexperiments. Der Unterschied ist dabei, dass statt des Doppelspalts ein Gitter eingesetzt wird.
Auch auf dem Schirm ist wieder ein Interferenzmuster zu beobachtet. Dort sind jedoch deutlich mehr und intensivere Maxima zu erkennen als beim Doppelspalt.
Ein weiterer Spezialfall des Doppelspalts oder Gitters ist der Einzelspalt.
Beugung am Einzelspalt
Wie der Name der Anordnung verrät, wird hier statt eines Mehrfachspalts ein Einzelspalt eingesetzt. Der Rest des Versuchsaufbaus ist jedoch gleich.
Obwohl auch hier ein Interferenzmuster erkennbar ist, steht im Zentrum dieses Versuchs die Beugung.
Beugung beschreibt die Ablenkung von Licht an einem Hindernis. Dadurch breitet es sich in Raumbereiche aus, die eigentlich vom Hindernis versperrt werden.
Diese Erscheinung ist ein direktes Resultat des Huygensschen Prinzips.
Beim Einzelspaltexperiment ist das durch Beugung entstehende Interferenzmuster zwar auch zu beobachten, aber deutlich schwächer als beim Doppelspalt oder Gitter. Besonders nach außen hin wird die Intensität der Maxima geringer.
Möchtest Du mehr zum Optischen Gitter oder der Beugung am Einzelspalt erfahren? Dann schau doch in die dazugehörigen Erklärungen hinein.
Dennoch tritt Interferenz nicht nur an Spalten oder anderen periodischen Strukturen auf, sondern auch an anderen Objekten.
Lichtwellen – Interferenz an dünnen Schichten
Im Gegensatz zu den obigen Interferenzerscheinungen liegt hier kein besonderer Versuchsaufbau vor. Interferenz an dünnen Schichten kannst Du nämlich an vielen Stellen im Alltag beobachten.
Vielleicht ist Dir schon aufgefallen, dass Seifenblasen oder CDs je nach Betrachtungswinkel scheinbar ihre Farbe ändern, oder auch dünne Ölfilme auf der Straße.
Bei all diesen Objekten handelt es sich um dünne Schichten, an denen Interferenz beobachtet werden kann. Die Interferenz resultiert hierbei aus der partiellen Reflexion des Lichts. Die reflektierten Lichtstrahlen, die ja auch Wellen sind, können dann miteinander interferieren.
Im Endeffekt nimmst Du dann gerade die Mischung der Lichtfarben wahr, die nicht durch destruktive Interferenz ausgelöscht wird. Bei der Farbe handelt es sich dann jeweils um die Komplementärfarbe des ausgelöschten Farbtons.
Lichtwellen - Das Wichtigste
- Licht wird in der Physik als elektromagnetische Welle aufgefasst, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
- Die Bewegung einer Lichtwelle wird mithilfe der Wellengleichung ausgedrückt. Diese gibt die Auslenkung y der Welle in Abhängigkeit von Ort und Zeit an:\[y(x,t)=y_{max}\cdot \sin\left(\frac{2\pi}{\lambda}\cdot x-\frac{2\pi}{T}\cdot t\right)\]
- Frequenz und Wellenlänge sind voneinander abhängig und legen die Farbe der Lichtwelle fest. Mathematisch sind sie über die folgende Formel verknüpft:\[c=\lambda\cdot f\]
- Die Gesamtheit aller sichtbaren Lichtwellen wird sichtbares Spektrum genannt. Hier liegen Wellenlängen von etwa 430 nm bis 690 nm vor.
- Die wichtigsten Eigenschaften von Licht als Welle sind:
- Polarisation: Die Schwingungsrichtung einer Welle wird Polarisation genannt.
- Kohärenz: Zwei Wellen mit gleicher Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheiden sich nur um eine konstante Phase.
- Beugung: Eine Welle wird an einem Hindernis abgelenkt und breitet sich auch in Raumbereiche aus, die eigentlich vom Hindernis versperrt werden.
- Interferenz: Zwei Wellen können sich überlagern und sich dadurch verstärken oder abschwächen. Das Verstärken ist als konstruktive Interferenz bekannt, während das Abschwächen als destruktive Interferenz verstanden wird.
- Die Energie E des Lichts berechnest Du mit folgender Formel:\[E=h\cdot f\]
- Je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist, desto größer ist ihre Energie.
- Wichtige Interferenzexperimente, bei denen die Welleneigenschaften von Licht nachgewiesen werden, sind:
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