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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Was ist Licht?

Was ist eigentlich Licht? Diese Frage wurde in der Geschichte der Physik kontrovers diskutiert und bis heute gibt es keine Antwort, die sich ein Normalsterblicher auch vorstellen könnte. Zwar wissen die Physiker heute recht genau, wie sie Licht mathematisch beschreiben sollen, aber EIN anschauliches Modell, dass geeignet ist, ALLE Lichtphänomene zu beschreiben, gibt es nicht so richtig. Bis heute wird je nach Phänom ein eigenes Modell benutzt. Möchte man die Wechselwirkung von Licht mit Materie im Sinne einer Energieübertragung beschreiben, wie sie etwa beim Zusammenstoß zweier Köper zu beobachten ist (etwa bei der Kollision zweier Billiardkugeln), so wird häufig auf eine Art "Teilchenmodell" benutzt. Betrachtet man dagegen Interferenz oder Beugungsphänomene (etwa die Entstehung des Farbschillerns bei einem Ölfilm auf einer Wasseroberfläche), so benutzt man häufig ein "Wellenmodell" zur Veranschaulichung.

Diese verschiedenen Modelle sollen im folgenden etwas detailierter beschrieben werden

Korpuskulartheorie bzw. Teilchenvorstellung

Diese Theorie geht im wesentlichen auf Isaac Newton (1643-1727) zurück. Hierbei stellt man sich vor, dass von jeder Lichtquelle kleine Lichtteilchen weg geschleudert werden. Diese Korpuskeln breiten sich mit konstanter Geschwindigkeit gradlinig aus und rufen im Auge eine Lichtempfindung hervor.

Diese Theorie war geeignet viele Phänomene, beispielsweise die Lichtbrechung an Grenzflächen (etwa an der Wasseroberfläche), zu erklären. Newton nahm zur Erklärung der Brechung an Oberflächen an, dass zwischen den Lichtteilchen und den Teilchen des umgebenen Mediums Anziehungskräfte herrschen, die für verschiedene Medien unterschiedlich stark sind. Wenn nun ein Korpuskel die Luft durchfliegt, wird er von der Luft, die ihn allseitig umgibt in alle Richtung gleichstark angezogen. Wenn nun aber dieses Korpuskel eine Oberfläche erreicht (z. B. Wasser), so wird es von dem vor ihm liegenden Wasser, das das optisch dichtere Medium ist, stärker angezogen, als von der hinter ihm liegenden Luft. Wenn der Winkel des Auftreffens nun nicht genau 90° beträgt, d.h. wenn das Lichtteilchen nicht senkrecht auf die Oberfläche trifft, wird es durch die einseitige Anziehung zur Seite beschleunigt, d.h. abgelenkt. Nach Newton müsste also die Geschwindigkeit des Lichts im optisch dichteren Medium größer sein, da beim Eintritt in dieses eine Beschleunigung stattfindet, weil das Lichtteilchen von dem dichteren Medium angezogen wird, wie ein Stein von der Erde, der ja auch immer schneller wird, wenn man ihn fallen läßt.

Wellentheorie

Huygens (1629-1695) nahm dagegen an, dass von einer Lichtquelle, ähnlich wie von einem Lautsprecher, viele einzelne Stöße ausgehen, die an das umgebende Medium abgegeben werden und dann ähnlich wie Schall in der Luft von Teilchen zu Teilchen weitergegeben werden. Der Nachteil dieses Modells ist allerdings, dass das Licht zur Ausbreitung ein Medium bräuchte. Da das Licht aber in der Lage ist, Vakuum zu durchdringen, kann dieses Medium nicht Luft sein. Um dieses Problem zu lösen, nahm man an, dass das Licht sich in einem feinen, alles durchdringenden Lichtäther, der nicht an das Vorhandensein von Luft gebunden ist, fortpflanzt. Dieser Äther mußte natürlich auch in Glas, Wasser, dem Weltall und allen anderen lichtdurchlässigen Medien vorhanden sein.

Aus dieser Theorie entwickelte dann später Fresnel (1788-1827) die Wellentheorie des Lichts. Diese Wellentheorie geht allerdings davon aus, dass das Licht beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium abgebremst wird. Wenn nun der Eintrittswinkel nicht 90° beträgt kommt es auch hierdurch zur Brechung des Lichts, da das Licht zuerst auf einer Seite der Wellenfront abgebremst wird, und erst dann auf der anderen. Einen Ähnlich Effekt kann man beobachten, wenn man durch eine Tür läuft und sich einen kurzen Moment auf einer Seite am Rahmen festhält. Man wird dadurch langsamer und außerdem in die Richtung abgelenkt, auf der man den Türrahmen festgehalten hat. Die Wellentheorie ist also ebenfalls in der Lage, die Lichtbrechung zu erklären, verlangt aber, dass das Licht im optisch dichteren Medium langsamer ist, während die Korpuskeltheorie hier ein höhere Lichtgeschwindigkeit erfordert.

Die Lösung?

Die Lösung dieses Problems erscheint also ganz einfach. Man muss lediglich die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien messen, und schon kann man eines der beiden Modelle ausschließen. Natürlich ist auch das bereits geschehen. Foucault konnte mit einem geeigneten Versuch Lichtgeschwindigkeitkeit in Wasser, Luft und Glas messen und fand für Luft die höchste und für Glas die niedrigste Geschwindigkeit. Damit scheint die Frage, was Licht ist klar beantwortet zu sein: Eine Welle, denn die Lichtgeschwindigkeit ist in optisch dichteren Medien niedriger. Heute wird Licht auch vielfach als Welle angesehen und viele Phänomene lassen sich mit diesem Modell hinreichend erklären. Allerdings ist man heute nicht mehr der Meinung, das Lichtwellen Ähnlichkeit mit Schallwellen haben. Man geht heute davon aus, dass Licht zur Ausbreitung kein Medium braucht, d.h. dass es diesen Äther nicht gibt. Außerdem ist die Schwingungrichtung der Lichtwellen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung und nicht parallel dazu. Aber alles in allem hat sich vielfach die Wellentheorie durchgesetzt.

Probleme bereitet diese Vorstellung erst, wenn man einige komische Effekte der Atomphysik betrachtet. So ist Licht beispielsweise bei einem Zusammenstoß mit einem Elektron in der Lage, dieses in Bewegung zu versetzen. Da das Elektron nach diesem Zusammenstoß einen anderen Impuls hat, als davor, muss die Lichtwelle einen Impuls haben, denn der Impulserhaltungssatz muss gelten. (Impuls = Masse · Geschwindigkeit) Da aber nur einen Impuls haben kann, wer eine Masse hat, braucht die Lichtwelle eine Masse. Da nun die Lichtwelle eine Welle ist, die kein Medium zur Ausbreitung braucht und auch keine Masseteilchen transportiert, hat das Licht aber keine Masse. Wie also kann diese Lichtwelle einen Impuls auf ein Elektron übertragen? Impuls-Übertragung durch Licht lässt sich eigentlich nur mit einem Teilchenmodell verstehen, dass aber widerspricht den Foucaultschen Experimenten.

Zu allem Überfluss verhielten sich Elektronen in einigen Experimenten wie Wellen. So war es beispielsweise möglich Elektronenbeugung zu beobachten. Solche Beugungsphänomene lassen sich aber eigentlich nur für Wellen verstehen, nicht für kleine Kugeln, als die man sich Elektronen bis dahin vorstellte. Außerdem stellte man fest, dass unter bestimmten Versuchen, bei denen sehr viel Energie freigesetzt wurde Masse "verschwand", was sich auch mit der klassischen Vorstellung von der Erhaltung der Masse nicht erklären ließ. Wo blieb diese Masse? Sie konnte nur in Form von Energie "verschwunden" sein, aber wie war sowas möglich? Und dann konnte Energie auch noch nicht mal beliebig klein werden. Es gibt eine "kleinste Energieportion". Wie konnte das sein? Alle diese seltsamen Dinge führten zu einem etwas veränderten Ansatz zur Erklärung, was "Licht" wohl sein könnte.

Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte

Einstein beschrieb 1905 ein neues Modell der Natur des Lichts, dass auch diese, bis dahin unverständlichen Phänomene einigermaßen erklären konnte. Er ging davon aus, dass die Energie nicht kontinuierlich über die den Raum durcheilende Lichtwelle verteilt ist, sondern dass sie in diskreten Portionen, den sogenannten Quanten, von der Lichtwelle mitgeführt wird. Einstein formulierte seine Lichtquantentheorie in der Licht sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften zugeschrieben werden. Nach Einstein bildet das Licht einen Strom von Teilchen, Lichtquanten oder Photonen genannt, deren Energie im Sinne der Planckschen Quantenbedingung der Frequenz der Lichtwelle proportional ist. (E = h · f)

Nun muss das Photon noch eine Masse haben und schon ist auch das Problem mit der Impulserhaltung bei Stößen mit Elektronen gelöst. Das geht jedoch nicht so einfach, da ein Körper, der eine von Null verschiedene Masse hat nach der relativistischen Massenbeziehung bei Lichtgeschwindigkeit eine unendlich große Masse bekommt, da die Masse in diesen Dimensionen mit der Geschwindigkeit wächst. D.h. die Masse des Lichts müsste unendlich groß sein, wenn Licht eine Masse hätte, denn es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn aber die Masse eines Photons unendlich wäre, dann wäre auch seine Bewegungsenergie unendlich groß. Da dies bekanntlich nicht so ist (und auch nicht so sein kann) kann ein Photon, dass sich nicht bewegt, keine Masse haben, d.h. die Ruhemasse des Photons muss Null sein und die Masse eines Photons kommt also nur durch seine Bewegung zustande und wird deshalb auch nicht unendlich.

Außerdem sind Energie und Masse in einander umwandelbar, wodurch auch viele andere, bis dahin unverstandene Phänomene erklärt werden können, denn nun kann jedem Teilchen eine Wellenlänge zugeordnet werden und jeder Welle eine Masse und somit kann Materie genau wie Licht eine Welle oder ein Teilchen sein. Toll, aber nicht wirklich anschaulich :-)

Praktische Vorstellung

Tja, was ist also Licht? Eine einfache und zugleich anschauliche Antwort gibt es nicht. Plant man eine Solaranlage, stellt man sich Licht vielleicht am einfachsten als eine Art Energiestrom vor, der von der Sonne kommend auf die Erde trifft. Betrachtet man das Schillern einer Ölpfütze, stellt man sich Licht vielleicht am besten als Welle vor, ähnlich den Wellen des Wassers, nur eben ohne Wasser :-). Die Menschen in der Steinzeit, die versuchten mit einem Speer einen Fisch unter Wasser zu ermorden und wegen der Lichtbrechung oft nicht trafen, hätten sich Licht vielleicht als "Strahlen" vorstellen sollen, die an der Wasseroberfläche nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ihre Richtung ändern. Der Mensch, der sich heute fragt, wie es eigentlich dem Licht gelingt, in einer Solarzelle Elektronen dazu zu überreden, sich zu bewegen, der stellt sich Licht vielleicht als kleine Kugeln vor, die mit den ebenfalls kugeligen Elektronen zusammenstoßen - ähnlich wie zwei Billiardkugeln.

Und ich? Ich stelle mir Licht so vor, wie es im vorherigen Absatz beschrieben ist. Je nach dem, in welcher Situation ich mich befinde, ist mein Licht anders, denn wer kann schon ausschließlich in Formeln denken? Der Mensch braucht eine bildliche Vorstellung, ein Modell oder eben auch mehrere.