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Wellenmodell des Lichts

Der Begriff „Wellenmodell des Lichts“ beruht auf der Wellentheorie von Christiaan Huygens, die dieser um das Jahr 1650 verfasste. Sie bildete die Grundlage für den Teilbereich „Wellenoptik“ innerhalb der optischen Physik. Heute beschäftigt sich die Wellenoptik überwiegend mit den Eigenschaften des sichtbaren Lichts wie die Farben, die Beugung und Interferenzfähigkeit sowie die Polarisation, also den Bereichen, die mittels geometrischer Optik nicht zu erklären sind.

Geschichte der Wellentheorie oder des Wellenmodells

Um den Ursprung der Farben zu erklären, entwickelte Robert Hooke (1635-1703) in seiner 1665 erschienenen Arbeit Micrographia ("Observation IX") eine "Impulstheorie" und verglich die Ausbreitung von Licht mit der von Wellen im Wasser. 1672 schlug Hooke vor, dass die Schwingungen des Lichts senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sein könnten. Christiaan Huygens (1629–1695) erarbeitete 1678 eine mathematische Wellentheorie des Lichts und veröffentlichte sie 1690 in seiner Abhandlung über Licht. Er schlug vor, Licht als Wellenreihe in einem Medium namens Luminiferous Ether in alle Richtungen zu emittieren. Da Wellen nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden, wurde angenommen, dass sie sich beim Eintritt in ein dichteres Medium verlangsamen. Youngs Experimente stützten die Theorie, dass Licht aus Wellen besteht.

Die Wellentheorie sagte voraus, dass Lichtwellen sich wie Schallwellen gegenseitig stören könnten, wie Thomas Young in seinem Doppelspaltexperiment um 1800 feststellte. Young zeigte mittels eines Beugungsexperiments, dass sich Licht wie Wellen verhält. Er schlug auch vor, dass unterschiedliche Farben durch unterschiedliche Wellenlängen des Lichts verursacht werden, und erklärte das Farbsehen anhand dreifarbiger Rezeptoren im Auge. Ein weiterer Befürworter der Wellentheorie war Leonhard Euler. In Nova theoria lucis et colorum (1746) argumentierte er, dass die Beugung leichter durch eine Wellentheorie erklärt werden könne. 1816 reichte André-Marie Ampère an Augustin-Jean Fresnel die Idee weiter, dass die Polarisation von Licht durch die Wellentheorie erklärt werden kann, wenn Licht eine Transversalwelle wäre. Später erarbeitete Fresnel unabhängig seine eigene Wellentheorie des Lichts und stellte sie 1817 der Académie des Sciences vor. Bis zum Jahr 1821 konnte Fresnel mit mathematischen Methoden zeigen, dass die Polarisation durch die Wellentheorie des Lichts genau dann erklärt werden kann, wenn das Licht vollständig transversal ist und keinerlei Längsschwingung aufweist. Die Schwäche der Wellentheorie bestand darin, dass Lichtwellen wie Schallwellen ein Medium zur Übertragung benötigen würden. Die Existenz der von Huygens im Jahr 1678 vorgeschlagenen hypothetischen Substanz leuchtender Äther wurde im späten neunzehnten Jahrhundert durch das Michelson-Morley-Experiment in starke Zweifel gezogen. Newtons Korpuskulartheorie implizierte, dass sich Licht in einem dichteren Medium schneller bewegen würde, während die Wellentheorie von Huygens und anderen das Gegenteil implizierte. Zu diesem Zeitpunkt konnte die Lichtgeschwindigkeit nicht genau genug gemessen werden, um zu entscheiden, welche Theorie richtig war. Der erste, der eine ausreichend genaue Messung durchführte, war 1850 Léon Foucault. Sein Ergebnis stützte die Wellentheorie, und die klassische Teilchentheorie wurde schließlich aufgegeben, um im 20. Jahrhundert teilweise wieder aufzutauchen.

Grundlagen des Wellenmodells des Lichtes

Bei der Betrachtung der Wechselwirkungen von Licht mit Materie sind verschiedene Effekte beobachtbar, die mit der geometrischen Optik nicht mehr zu erklären sind. So werden hinter Öffnungen - wie auch hinter Kanten im Allgemeinen - beim Durchgang von parallelen Lichtstrahlen (vorausgesetzt eine ausreichend entfernte oder punktförmige Lichtquelle) im Schattenbereich helle Streifen mit abnehmender Intensität gebildet. Das Licht ist gebogen. Bei mehreren Lücken mit Spaltabständen in der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts werden die an den einzelnen Kanten gebeugten Teilwellen überlagert. Diese Teilwellen stören sich gegenseitig. Bei sehr kurzen Wellenlängen oder sehr großen Objekten ist die Beugung des Lichts vernachlässigbar und die Gesetze der der geometrischen Optik werden für Berechnungen verwendet. In der Wellenoptik wird Licht als eine Transversalwelle mit Amplitude, Wellenlänge und Phase beschrieben.

Quizfragen zum Thema

  1. Was ist die Polarisation im Wellenmodel des Lichts?

    Mit dem Begriff Polarisation werden die Richtung und die Auslenkung einer Schwingung beschrieben. Je geringer die Auslenkung oder auch Streuung des Lichts, desto höher die Polarisation.

  2. Wie wird beispielsweise Tageslicht im Wellenmodell des Lichts bezeichnet?

    Tageslicht ist aufgrund der Mischung mehrerer monochromatischer Spektrallinien ein polychromatisches Licht, das auch weißes Licht genannt wird.

  3. Welche Farbe hat Licht, das im Vakuum eine Wellenlänge von 500nm besitzt?

    Licht mit einer Wellenlänge von 500nm ist grün

  4. Wie hoch ist der Wellenlängenbereich in Mikrowellenöfen?

    Der Wellenlängenbereich, der in Mikrowellenöfen zur Anwendung kommt, bewegt sich zwischen 0,3 cm und 30 cm.

  5. Was ist unter der „Intensität des Lichts“ zu verstehen?

    Die Intensität des Lichts ergibt sich aus der übertragenen Energie auf eine bestimmte Fläche in einer bestimmten Zeit, was als Bestrahlungsstärke bezeichnet wird.


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