Modelle für das Licht

Was ist Licht?
Licht ist eine sehr komplizierte Erscheinung, die mit unterschiedlichen Modellen beschrieben wird.
Ein Modell ist ein vom Menschen geschaffenes Ersatzobjekt für ein komplizierteres Original. Es stimmt in einigen Merkmalen oder Eigenschaften mit dem Original überein und ist nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und sinnvoll anwendbar.

Da ein Modell jeweils nur einige Merkmale oder Eigenschaften eines Originals widerspiegelt, können für ein und dasselbe Original - hier also für Licht - zur Beschreibung, Erklärung und Voraussage mehrere Modelle geschaffen und genutzt werden. Das sind für das Licht die drei Modelle

• Lichtstrahl,
• Lichtwelle,
• Lichtquant.

Welches der Modelle jeweils genutzt wird, hängt von den betrachteten Erscheinungen ab.

Modell Lichtstrahl
Ein Lichtstrahl beschreibt den Weg des Lichtes (Bild 1). Dieses Modell eignet sich gut dazu, folgende Erscheinungen zu beschreiben:

• Geradlinige Ausbreitung des Lichtes,
• Entstehung von Schatten hinter lichtundurchlässigen Körpern
• Weg des Lichtes bei der Reflexion an Oberflächen,
• Weg des Lichtes bei der Brechung beim Übergang von einem Stoff in einen anderen,
• Weg des Lichtes an optischen Bauteilen (Spiegeln, Linsen, Prismen), beim Auge sowie bei optischen Geräten (Mikroskop, Fernrohr, Fotoapparat, Bildwerfer, Tageslichtprojektor, ...).

Der Teilbereich der Optik, in dem man mit dem Modell Lichtstrahl arbeitet, wird als Strahlenoptik bezeichnet.
Lichtstrahlen sagen nichts über den Charakter des Lichtes aus. Deshalb ist das Modell Lichtstrahl auch nicht geeignet, Erscheinungen zu erklären. Insbesondere ist es nicht anwendbar bei allen Erscheinungen, die mit dem Wellencharakter des Lichtes zusammenhängen, z.B. bei der Beugung oder bei der Interferenz.

Modell Lichtwelle
An schmalen Spalten oder kleinen Hindernissen wird Licht gebeugt. Hinter Gittern kann man Interferenzerscheinungen beobachten. Das sind wellentypische Erscheinungen. Licht hat die Eigenschaften von Wellen und kann demzufolge auch mit dem Modell Lichtwelle beschrieben werden.

Genauere Untersuchungen zeigen, dass es sich bei Licht vom physikalischen Charakter her um elektromagnetische Wellen handelt, bei denen sich zeitlich periodisch die Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes ändert. Da die Schwingungsrichtung senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung steht, liegen Transversalwellen (Querwellen) vor.

Mit dem Modell Lichtwelle kann man die Ausbreitung von Licht (Bild 2) sowie auch die Reflexion oder die Brechung von Licht nicht nur beschreiben, sondern auch erklären, wenn man das huygenssche Prinzip einbezieht.
Darüber hinaus kann man mit diesem Modell solche wellentypischen Erscheinungen beschreiben und erklären wie

• die Beugung von Licht an schmalen Spalten, Kanten und kleinen Hindernissen,
• die Interferenz (Überlagerung) von Licht,
• die Polarisation von Licht.

Der Teilbereich der Optik, in dem man mit dem Modell Lichtwelle arbeitet, wird als Wellenoptik bezeichnet.
Nicht geeignet ist dass Modell Lichtwelle z.B. zur Erklärung der Erscheinung, dass Licht in der Lage ist, aus der Oberfläche von Metallen Elektronen herauszulösen (äußerer Fotoeffekt oder äußerer lichtelektrischer Effekt).

Das Modell Lichtquant
Um 1905 entwickelte der berühmte deutsche Physiker ALBERT EINSTEIN (1879-1955) eine Vorstellung vom Charakter des Lichtes, die man heute als Modell Lichtquant oder als Photonenmodell bezeichnet. Nach diesem Modell besteht Licht aus nicht weiter zerlegbaren Energieportionen (Photonen), die sich einerseits wie Teilchen verhalten und denen andererseits auch eine Frequenz und eine Wellenlänge zugeordnet werden kann.

In diesem Modell kann z.B. das von der Sonne kommende Licht gedeutet werden als ein ständiger riesiger Strom einer Vielzahl von Photonen (Bild 3). Mit diesem Modell ist es möglich, auch den äußeren Fotoeffekt zu erklären. Der Teilbereich der Optik, in dem man mit dem Modell Lichtquant arbeitet, wird als Quantenoptik bezeichnet.