Auffassungen vom Licht Handout

Hypothesen vom Licht
1. Teilchentheorie (Korpuskulartheorie)
Vertreter: - René Descartes (Entdeckung des Brechungsgesetzes)
- Isaac Newton (Entwicklung der Teilchentheorie)
Ihre Theorie besagt, dass ein Lichtstrahl aus einzelnen Teilchen,
aufgereiht auf einer Geraden, besteht. Mit dieser Theorie lassen
sich folgende Eigenschaften des Lichts begründen:
- Licht breitet sich in einem optisch einheitlichen Stoff
allseitig und geradlinig aus
- Lichtwege sind umkehrbar
- sich kreuzende Lichtstrahlen beeinflussen sich nicht
- hinter lichtundurchlässigen Körpern entstehen Schatten
- es gilt das Reflexionsgesetz (α=α’)
- es gilt das Brechungsgesetz (
)
2. Wellentheorie
Vertreter: - Christiaan Huygens (Erklärung von Brechung, Reflexion und geradliniger
Ausbreitung des Lichts mit dem huygensschen Prinzip)
- Augustin Jean Fresnel (Untersuchungen zur Beugung, Interferenz und
Polarisation des Lichts)
- James Clerk Maxwell („Licht und Elektrizität sind wesensgleich“)
- Heinrich Rudolf Hertz (experimenteller Nachweis der von Maxwell
vorhergesagten elektromagnetischen Wellen)
Die Teilchentheorie von Newton reichte nicht aus um die damals bekannten optischen Erscheinungen begründen
zu können. Deshalb setzte sich mit der Zeit die Wellentheorie von Huygens und Fresnel durch. Mit ihr konnten
folgende Eigenschaften des Lichts erklärt werden:
- Trifft Licht auf einen Spalt, ein kleines Hindernis oder
eine Kante, so tritt es in den Schattenraum ein
(Beugung). Dabei gilt das huygenssche Prinzip:
Jeder Punkt, der von einer Wellenfront getroffen wird,
ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle, wobei die
Gesamtheit der Elementarwellen eine neue Wellenfront
bildet.
- Überlagert sich kohärentes Licht (Frequenz, Schwingungsrichtung und
Phasenlage vieler Wellenzüge stimmen überein) entstehen Bereiche der
Auslöschung und Verstärkung (Interferenz). Das tritt zum Beispiel am
Doppelspalt/optischen Gitter auf. Das Licht wird an jedem Spalt gebeugt,
breitet sich jeweils in unterschiedliche Richtungen aus und überlagert sich.
Auf einem Schirm hinter dem Gitter/Doppelspalt kann man die
Interferenzstreifen sehen (helle und dunkle Linien).
Zu Interferenz kann es auch kommen wenn Licht auf eine dünne
Schicht trifft. Ein Teil des Lichts wird an der Oberseite der
Schicht reflektiert und ein Teil dringt in die Schicht ein. Dieser
Teil wird an der Unterseite der Schicht reflektiert und gelangt
dadurch wieder an die Oberseite, wo das Licht wieder austritt. Die
beiden Lichtanteile haben deshalb einen unterschiedlichen Weg
zurückgelegt und es existiert ein Gangunterschied zwischen den
beiden Lichtanteilen. Bei einer bestimmten Schichtdicke oder
einem bestimmten Einfallswinkel kommt es zu Interferenz
(Licht muss kohärent sein).
- Trifft weißes Licht auf ein Prisma kommt es zur Dispersion, es wird in seine
verschiedenen Farbanteile gebrochen. Dabei wird blaues Licht stärker gebrochen als
rotes, weil die Wellenlänge des blauen Lichtes kleiner ist. Aus c=λ×f (f=konstant)
folgt, dass auch die Lichtgeschwindigkeit von blauem Licht kleiner ist, als die von
rotem. Deshalb hat blaues Licht einen stärkeren Brechungsindex als rotes.
- Licht besitzt verschiedene Schwingungsrichtungen.
Ein Polarisationsfilter lässt nur eine Schwingungsrichtung durch. Der Grund dazu liegt in seinem Aufbau:
Bei der Herstellung werden Kohlenstoffketten stark
gedehnt und parallel zueinander angeordnet, sodass sie
wie ein Gitter wirken.
Polarisation kann auch bei Reflexion und Brechung
auftreten. Das Licht fällt mit seinen Schwingungsrichtungen auf die Grenzschicht, wobei ein Teil
gebrochen, der andere reflektiert wird. Im reflektierten
Teil fehlt nun die Schwingungsrichtung parallel zur
Zeichenebene, da diese in Richtung des reflektierten
Teils liegt. In diese Richtung kann aber nicht gestrahlt werden.
3. Quantentheorie
Vertreter: - Max Planck (Begründer der Quantentheorie)
- Alber Einstein (Schöpfer der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie)
14. September 1900 Geburtstag der Quantentheorie Quantenhypothese Planck’s:
„Energie könne nur in ganz bestimmten Portionen (sog. Energiequanten) übertragen werden“ (Licht enthält
Energie in Form von Quanten)
1905 erklärte Einstein, dass bei Wechselwirkung von Licht mit Materie das Licht in Portionen absorbiert wird.
Diese Portionen sind Lichtquanten bzw. Photonen.
Der Photoeffekt: = die Auslösung von Elektronen aus Metallen durch Licht hinreichend hoher Frequenz
Dabei verschwinden die einzelnen Lichtquanten/ Photonen und
geben ihre Energie jeweils zum Herauslösen des Elektrons ab
Aufbau
- Die Energie des Lichtquants muss dabei mindestens so groß sein
wie die zur Elektronenablösung benötigte Energie (Ablösearbeit)
- Der Energieüberschuss geht in kinetische Energie des Elektrons
über
Durchführung:
-eine frisch geschmirgelte Metallplatte wird mit einem Elektroskop
verbunden und negativ (positiv) geladen
-bestrahlt man sie dann mit ungefiltertem Licht einer
Quecksilberdampflampe, so geht der Zeigerausschlag rasch zurück
(nicht zurück) –Elektronen werden abgesaugt
diese Beobachtung wird verständlich, wenn man dem auf die
Metallplatte treffenden Licht die Fähigkeit zuschreibt, aus der
Der Photoeffekt ist eine wichtige Bestätigung
Metalloberfläche Elektronen herauslösen zu können
der quantenhaften Struktur des Lichts.
E=h×f
(Tfw. S. 117 bzw. 122)
Die in einem Lichtstrahl enthaltene Energie wird in einzelnen Einheiten (oder Quanten) übertragen
Dualismus Welle-Teilchen
= zur vollständigen Beschreibung des Phänomens „Licht“ sind das Wellen- und das Teilchenmodell erforderlich