Das Wellenmodell des Lichts

Redaktion


Das Licht hat Physiker*innen lange Rätsel aufgegeben. Als man im 17. Jahrhundert begann, Reflexion und Lichtbrechung näher zu untersuchen, entwickelten sich zwei konkurrierende Theorien darüber, was Licht ist. Eine davon ist das Wellenmodell des Lichts, das von Christiaan Huygens entwickelt wurde und Anfang des 19. Jahrhunderts von Thomas Young mithilfe des Doppelspaltexperiments nachgewiesen werden konnte.

Elementarwellen und ihre Eigenschaften

Das Wellenmodell des Lichts basiert auf dem huygensschen Prinzip, nach welchem jeder Punkt einer Wellenfront der Ausgangspunkt für eine sogenannte Elementarwelle ist. Eine Wellenfront wird dabei aus allen Punkten gebildet, die sich in derselben Phasenlage befinden, sich also mit derselben Frequenz fortbewegen und dieselbe Auslenkung haben.

Diese Definition spricht schon einige Größen an, mit denen Wellen beschrieben werden. Da diese notwendig sind, um das Wellenmodell des Lichts zu verstehen, sollen sie hier noch einmal zusammengefasst werden:

Die Amplitude ŷ gibt die maximale Auslenkung der schwingenden Teilchen der Welle an.

Die Schwingungsdauer T gibt an, wie lange die Teilchen brauchen, um eine vollständige Schwingung zu durchlaufen.

Die Frequenz f gibt an, wie viele Schwingungsperioden ein Teilchen in einer Zeiteinheit ausführt.

Die Wellenlänge λ gibt den Abstand zwischen zwei Teilchen der Welle an, die sich in derselben Phasenlage befinden.

Die Ausbreitungs- oder Phasengeschwindigkeit ν bzw. c ist die Geschwindigkeit mit der sich eine Phase der Welle in der Schwingungsdauer T um die Wellenlänge λ ausbreitet.

Wichtig zu beachten ist, dass die Elementarwellen nach dem huygensschen Prinzip in der Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der ursprünglichen Welle übereinstimmen und sich überlagern, wodurch eine neue Wellenfront gebildet wird.

Das Licht als Welle

Nach dem Wellenmodell des Lichts besteht Licht — genau wie etwa Schall oder Wasser — aus Elementarwellen und teilt die Eigenschaften anderer Wellen.

Bei Lichtwellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Bei diesen ändert sich die Stärke des magnetischen und des elektrischen Feldes mit der Zeit. Die beiden Felder liegen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung. Das macht es schwierig, eine Lichtwelle zeichnerisch darzustellen. Hier reicht es deshalb, wenn du die Richtung darstellst, in die die elektrische Feldstärke schwingt.

Die Amplitude ŷ gibt bei Lichtwellen die Intensität des Lichts an. Das heißt, je höher die Amplitude, desto heller ist das Licht.

Je nach Frequenz und Wellenlänge hat das Licht eine andere Farbe. Der Mensch kann zum Beispiel nur Licht wahrnehmen, das eine Wellenlänge zwischen ungefähr 380 bis 750 Nanometern hat. Ultraviolettes und infrarotes Licht liegen außerhalb dieses Spektrums und können von uns deshalb nicht mehr wahrgenommen werden.

Licht einer bestimmten Wellenlänge innerhalb des wahrnehmbaren Bereichs kannst du durch Brechung mit einem Prisma sichtbar machen. Auch das ist eine Eigenschaft von Wellen: Treffen sie auf ein anderes Medium, ändern sich Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Deshalb sieht die Lichtwelle für den Menschen wie weißes Licht aus, wenn sie sich durch die Luft ausbreitet, während sie als farbiges Licht wahrgenommen wird, wenn sie durch das Prisma gebrochen wird.

Auch die Reflexion ist eine Eigenschaft von Wellen, die beim Licht ebenso zu beobachten ist. Wenn die (Licht-)Welle auf eine Oberfläche trifft, wird ein Teil der Welle absorbiert, während ein anderer Teil reflektiert wird. Es kann auch sein, dass ein Teil der Welle gebrochen wird, sofern das Licht nicht senkrecht auf die Oberfläche trifft und diese durchsichtig ist wie etwa bei Glas. Selbstverständlich gilt für Lichtwellen genau wie für alle anderen Wellen, dass der Einfalls- und der Reflexionswinkel gleich groß sind. Das kann mit dem Wellenmodell des Lichts leicht erklärt werden:

Da nach dem huygensschen Prinzip von jedem Punkt einer Welle neue Elementarwellen ausgehen, ist auch der Punkt, an dem die ursprüngliche Welle auf eine Oberfläche trifft, Ausgangspunkt für eine Elementarwelle. Da die Elementarwelle mit der ursprünglichen Welle übereinstimmt, breitet sie sich von der Oberfläche ausgehend mit derselben Geschwindigkeit aus.

Polarisation, Beugung und Interferenz

Während die Brechung und die Reflexion von Licht auch mit dem Strahlenmodell erklärt werden könnten, so kann allein das Wellenmodell des Lichts dazu genutzt werden, um drei weitere Erscheinungen zu erklären: Die Polarisation, die Beugung und die Interferenz von Licht. Diese sollen hier kurz erklärt werden:

Lichtwellen breiten sich in zufällige Schwingungsrichtungen aus, wenn sie von einer natürlichen Lichtquelle ausgehen wie etwa bei Sonnenlicht oder Lampen. Man kann jedoch durch Filter dafür sorgen, dass die Lichtwellen in nur eine Richtung schwingen. Diesen Vorgang nennt man Polarisation. Er kann neben der Anwendung der Polarisationsfilter auch durch Reflexion oder Brechung hervorgerufen werden. Praktisch angewendet wird dieses Prinzip beispielsweise in der Fotografie, wo die Polarisation dafür sorgen kann, dass unerwünschte Reflexionen vermieden werden.

Trifft Licht auf Hindernisse wie etwa Spalten oder Kanten, so breitet es sich in dem Schattenraum genannten Bereich hinter dem Hindernis weiter aus. Das ist eine typische Welleneigenschaft, die du zum Beispiel auch gut an Wasserwellen beobachten kannst.

Auch Interferenz ist eine wellentypische Eigenschaft, die dann auftritt, wenn sich mindestens zwei Wellen überlagern. Diese Überlagerung führt zur Verstärkung oder Auslöschung der Welle.

Das Doppelspaltexperiment: Beweis für das Wellenmodell des Lichts
Sowohl die Beugung als auch die Interferenz von Lichtwellen können in einem Versuchsaufbau wie dem schon erwähnten Doppelspaltexperiment von Thomas Young deutlich gemacht werden.

Wie bereits beschrieben breiten sich Lichtwellen weiter in alle Richtungen aus, nachdem sie auf ein Hindernis stoßen, das nur einen kleinen Spalt aufweist. Am deutlichsten sieht man den Effekt der Beugung, wenn der Spalt etwa so groß ist wie die Wellenlänge.

Weist das Hindernis zwei Spalte auf, so findet auch hier Beugung statt: Die ankommende Lichtwelle durchquert die beiden Spalte und breitet sich dann auf der anderen Seite wieder wellenförmig aus. Dort treffen nun zwei Wellen aufeinander, wodurch Inferenz entsteht:

Beide Wellen haben dieselbe Phase und Wellenlänge beim Eintreffen auf den Doppelspalt. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass sie, um einen bestimmten Punkt in eine Schwingrichtung zu erreichen, einen unterschiedlich langen Weg zurücklegen müssen. Dadurch treffen die Wellen in unterschiedlichen Phasen aufeinander.

Treffen zwei Wellenberge aufeinander, wird das Licht intensiver. Hier spricht man von Verstärkung. Treffen ein Wellenberg und ein Wellental aufeinander, kommt es stattdessen zur sogenannten Auslöschung und die Stelle erscheint dunkler.

Dieses Phänomen kann nur mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden, nicht jedoch mit der Strahlentheorie.

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