Licht ist ein kompliziertes Phänomen, das nur mithilfe mehrerer, unterschiedlicher Modelle erklärt und beschrieben werden kann. In diesem Artikel zeigen wir dir, welche Lichtmodelle es gibt und wie diese die verschiedenen Eigenschaften von Licht erklären können. Die Lichtmodelle sind ein Teilbereich des Themas Wellen und gehören zum Fach Physik.
Was ist Licht?
Um über die verschiedenen Lichtmodelle in der Physik sprechen zu können, müssen zunächst einmal die Begriffe „Licht“ und „Modell“ geklärt werden. Über Licht lässt sich sagen, dass es eine sehr komplizierte Erscheinung ist, die sich durch viele Modelle veranschaulichen lässt.
Was ist ein Modell?
Ein Modell ist ein vom Menschen geschaffenes Ersatzobjekt für ein kompliziertes Original. Es stimmt zwar in einigen Merkmalen oder Eigenschaften mit dem Original überein, jedoch ist es nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und sinnvoll anwendbar. Es ist demnach ein Werkzeug zum besseren Verständnis und zur Veranschaulichung eines komplizierten Sachverhalts.
Da ein Modell nur einige Eigenschaften oder Merkmale eines Originals widerspiegelt, müssen für Licht zur Beschreibung, zur Erklärung oder zur Voraussage mehrere Modelle geschaffen und genutzt werden.
Für Licht gibt es drei verschiedene Modelle, die genutzt werden können, um verschiedene Phänomene zu veranschaulichen oder zu erklären. Welches Modell genutzt wird, hängt von den betrachteten Erscheinungen ab. Die folgenden Modelle sind die drei Modelle, die für das Licht genutzt werden:
Das Modell der Lichtstrahlen
Das Modell der Lichtstrahlen beschreibt Licht als Strahl. Das Licht einer Lichtquelle breitet sich geradlinig nach allen Seiten aus, wenn es nicht durch andere Körper daran gehindert wird. Der Weg des Lichts kann durch Halbgeraden, die für die Lichtstrahlen stehen, veranschaulicht werden. Dieses Modell eignet sich dazu folgende Erscheinungen zu beschreiben:
- die geradlinige Ausbreitung von Licht
- die Entstehung von Schatten hinter lichtundurchlässigen Körpern
- der Weg des Lichts bei der Reflexion an Oberflächen
- der Weg des Lichts bei der Brechung beim Übergang von einem Stoff in einen anderen
- der Weg des Lichtes an optischen Bauteilen, wie Spiegeln, Linsen, Prismen, beim Auge sowie bei optischen Geräten. Diese können zum Beispiel Mikroskope, Fernrohre, Fotoapparate, Bildwerfer, Tageslichtprojektoren, oder Ähnliches sein.
(Quelle: www.optikunde.de)
Den Teilbereich der Physik, in dem man mit dem Modell der Lichtstrahlen arbeitet, nennt man auch die Strahlenoptik. Dieses Modell ist nicht dazu geeignet, Erscheinungen zu erklären, da Lichtstrahlen nichts über den Charakter von Licht aussagen. Bei den Phänomenen der Interferenz oder der Beugung von Licht, die im Rahmen des Artikels über Wellen kurz vorgestellt wurden, ist das Lichtstrahlenmodell nicht anwendbar. Hierfür muss der Wellencharakter des Lichts beachtet werden. Dazu wird dann das Modell der Lichtwellen angewendet.
- Das Lichtstrahlenmodell beschreibt, dass sich das Licht einer Lichtquelle geradlinig nach allen Seiten ausbreitet, wenn es nicht durch andere Körper daran gehindert wird. Der Weg des Lichts wird durch Halbgeraden veranschaulicht.
- Die Strahlenoptik beschäftigt sich mit dem Modell der Lichtstrahlen.
- Lichtstrahlen sagen nichts über den Charakter von Licht aus.
Das Modell der Lichtwellen
Licht hat die Eigenschaft, dass es an schmalen Spalten oder kleinen Hindernissen gebeugt wird. Hinter Gittern kann man Interferenzerscheinungen beobachten. Das sind wellentypische Erscheinungen. Licht hat demzufolge Eigenschaften von Wellen und kann aus diesem Grund mithilfe des Lichtwellenmodells beschrieben werden.
Durch genauere Untersuchungen konnte man herausfinden, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Die Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes ändert sich bei ihnen zeitlich periodisch. Außerdem steht die Schwingungsrichtung senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung. Es handelt sich also um Transversalwellen. Falls du zu Transversal – und Longitudinalwellen mehr Informationen brauchst, gehe zum Artikel über Wellen.
Das huygenssche Prinzip
Unter Einbeziehung des huygensschen Prinzips lässt sich im Rahmen des Lichtwellenmodells auch die Ausbreitung von Licht sowie die Reflexion oder die Brechung von Licht beschreiben und erklären. Darüber hinaus kann man mit diesem Modell folgende wellentypische Erscheinungen beschreiben und erklären:
- die Beugung von Licht an schmalen Spalten, Kanten und kleinen Hindernissen,
- die Interferenz (Überlagerung) von Licht und
- die Polarisation von Licht.
Das huygenssche Prinzip ist ein Prinzip nach Christiaan Huygens und kann auch huygens-fresnelsches Prinzip genannt werden. Es besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden kann. Man spricht auch von der Elementarwelle. Durch die Überlagerung sämtlicher Elementarwellen, auch Superposition genannt, ergibt sich die neue Lage der Wellenfront.
In drei Dimensionen sind Elementarwellen halbkugelförmig, in zwei Dimensionen oder 2D-Darstellung halbkreisförmig. Durch die Kugelform beziehungsweise Kreisform der Elementarwelle bildet sich auch eine rückwärts laufende Welle. Diese würde mit der ursprünglichen Welle eine stehende Welle bilden. Stehende Wellen (link) werden in einem eigenen Artikel erklärt.
(Quelle: www.universaldenker.de)
Der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Lichtwellenmodell beschäftigt, wird als Wellenoptik bezeichnet. Dennoch kann das Modell Lichtwelle nicht alle Erscheinungen erklären. Zum Beispiel kann mithilfe dieses Modells der äußere Fotoeffekt, auch äußerer lichtelektrischer Fotoeffekt genannt, nicht erklärt werden. Zur Erklärung dieses Effekts muss das Modell des Lichtquanten angewendet werden.
- Bei Licht lassen sich wellentypische Erscheinungen wie Interferenz oder Beugung beobachten, weshalb Licht auch mit dem Lichtwellenmodell beschrieben werden kann.
- Es handelt sich bei Licht um elektromagnetische Wellen. Die Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes ändert sich bei ihnen zeitlich periodisch und es sind Transversalwellen.
- Unter Einbeziehung des huygensschen Prinzips lässt sich im Rahmen des Lichtwellenmodells auch die Ausbreitung von Licht sowie die Reflexion oder die Brechung von Licht beschreiben und erklären.
- Das huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden kann.
- Wellenoptik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Lichtwellenmodell beschäftigt.
Das Modell des Lichtquanten
Das Modell Lichtquant kann auch als Photonenmodell bezeichnet werden. Es wurde um 1905 von dem berühmten deutschen Physiker Albert Einstein, der von 1879 bis 1955 lebte, entwickelt. Nach diesem Modell besteht Licht aus nicht weiter zerlegbaren Energieportionen, auch Photonen genannt. Einerseits verhalten diese sich wie Teilchen, andererseits kann ihnen auch eine Frequenz und eine Wellenlänge zugewiesen werden.
Das von der Sonne kommende Licht kann in diesem Modell als ständiger riesiger Strom von einer Vielzahl von Protonen gedeutet werden. Auch der weiter oben im Artikel erwähnte äußere Fotoeffekt kann durch das Lichtquantenmodell erklärt werden. Der äußere Fotoeffekt beschreibt das Phänomen, bei dem sich Elektronen aus negativ geladenen Metallen herauslösen, wenn sie mit geeignetem Licht bestrahlt werden. Dieser Effekt war einer der ersten Resultate physikalischer Untersuchungen, bei dem das Lichtwellenmodell infrage gestellt wurde.
Der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Lichtquantenmodell beschäftigt, wird auch als Quantenoptik bezeichnet.
- Das Lichtquantenmodell beschreibt, dass Licht aus Photonen besteht.
- Das Modell des Lichtquanten erklärt zum Beispiel den äußeren Fotoeffekt.
- Die Quantenoptik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Lichtquantenmodell beschäftigt.
Lichtmodelle – Alles Wichtige auf einen Blick
- Licht ist eine sehr komplizierte Erscheinung, die sich nur durch die Betrachtung vieler Modelle veranschaulichen lässt.
- Ein Modell ist ein vom Menschen geschaffenes Ersatzobjekt für ein kompliziertes Original und ist nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und anwendbar.
- Das Lichtstrahlenmodell beschreibt, dass sich das Licht einer Lichtquelle geradlinig nach allen Seiten ausbreitet, wenn es nicht durch andere Körper daran gehindert wird. Der Weg des Lichts wird durch Halbgeraden veranschaulicht.
- Bei Licht lassen sich wellentypische Erscheinungen wie Interferenz oder Beugung beobachten, weshalb Licht auch mit dem Lichtwellenmodell beschrieben werden kann.
- Das huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden kann.
- Das Lichtquantenmodell beschreibt, dass Licht aus Photonen besteht und kann den äußeren Fotoeffekt erklären.
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