Licht ist eine sehr komplizierte Erscheinung, die mit unterschiedlichen Modellen beschrieben werden kann. Da ein Modell jeweils nur einige Merkmale oder Eigenschaften eines Originals widerspiegelt, hat jedes der Modelle einen bestimmten Anwendungsbereich. Neben dem Modell Lichtwelle und dem Modell Lichtstrahl kann man Licht auch mit einem Zeigermodell und dem Modell Lichtquant (Photon) beschreiben.
Das Modell Lichtwelle
Das Modell Lichtwelle
wird vorrangig dann genutzt, wenn man die wellentypischen Erscheinungen
beschreiben und erklären will, die unter bestimmten Bedingungen bei
Licht auftreten. Es handelt sich dabei vor allem um die Beugung, die Interferenz
und die Polarisation. 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. Die Schwingungsrichtungen
beider Felder liegen senkrecht zueinander und auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Demzufolge liegen Transversalwellen
(Querwellen) vor. Bei zeichnerischen Darstellungen beschränkt man
sich zumeist auf die Darstellung der Richtung, in der die elektrische
Feldstärke schwingt.
Der Teilbereich der Optik, in dem man mit dem Modell Lichtwelle arbeitet,
wird als Wellenoptik bezeichnet.
Im Wellenmodell gilt:
- Durch die Frequenz wird die Farbe des Lichtes charakterisiert.
Für einen Stoff kann man die Farbe auch durch die Wellenlänge
kennzeichnen, denn für einen Stoff gilt bei konstanter Temperatur
und konstanter Dichte
.
- Das Quadrat der Amplitude ist ein Maß für
die Intensität des Lichtes. Unter Intensität versteht man
dabei die pro Zeit und Fläche übertragene Energie. Da die
pro Zeit übertragene Energie eine Leistung ist, kann man auch formulieren:
Die Intensität ist die Strahlungsleistung pro Fläche, also
der Quotient
In der Physik wird diese Größe auch als Bestrahlungsstärke
bezeichnet.
Mit dem Wellenmodell kann man auch die Ausbreitung
von Licht, die Reflexion und die Brechung beschreiben und erklären
(Bild 2). Dabei wird auch der Zusammenhang zwischen Strahlenmodell und
Wellenmodell deutlich: Die Lichtstrahlen sind die Normalen auf den Lichtwellen.
Bei der Arbeit mit dem Wellenmodell bezieht man häufig das huygenssche
Prinzip oder das huygens-fresnelsche Prinzip mit ein:
huygenssches Prinzip:
Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer für kreis-
oder kugelförmige Elementarwellen.
Diese Elementarwellen besitzen die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit
wie die ursprüngliche Welle. Die Elementarwellen überlagern
sich. Die Einhüllende aller Elementarwellen bildet die neue Wellenfront.
In Bild 2 ist das für die geradlinige Ausbreitung von Licht dargestellt.
huygens-fresnelsches Prinzip:
Der Schwingungszustand
in einem Punkt eines Raumes wird bestimmt durch die Summe aller Elementarwellen,
die von Wellenfronten ausgehen und die in diesem Punkt zusammentreffen.
Dieses Prinzip ist z.B. bedeutungsvoll bei der Frage, ob bei der Überlagerung
(Interferenz) von Licht in einem bestimmten Punkt Verstärkung, Abschwächung
oder Auslöschung auftritt.
Weitere Hinweise zu den verschiedenen Modellen und
ihrer Anwendbarkeit sind auf der CD unter den Stichwörtern Reflexion,
Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation zu finden.