Lichtwellen

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Physikalischer Kontext

Das, was wir als "Licht" bezeichnen, sind von Natur aus elektromagnetische Wellen. Als Licht bezeichnet man jedoch nur die elektromagnetischen Wellen, die unser Auge wahrnehmen kann. Das ist ein sehr kleiner Ausschnitt aus dem Bereich des Spektrums elektromagnetischer Wellen mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm. Er liegt dort, wo unsere Sonne das Maximum an Strahlung aussendet. Unser Auge hat sich im Laufe der Evolution an das Sonnenspektrum angepasst. Es gibt Tiere, die in einem anderen Spektralbereich sehen können, z.B. können Bienen auch kürzere Wellenlängen sehen. Für Bienen ist "Licht" also nicht das gleiche wie für uns.

Lichtwellen

Abb.1 Modellvorstellung einer elektromagnetischen Welle
Abb.2 Spektrum elektromagnetischer Wellen, Quelle: Wikimdia Commons

Beschreibung einer Lichtwelle

Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen. Bei ihnen verändern sich elektrische und magnetische Felder periodisch und sinus­förmig (Abb.1). Irgendwelche Teilchen bewegen sich dabei nicht. Die beiden Felder erzeugen sich gegenseitig. Die Vektoren beider Felder stehen senkrecht aufeinander und schwingen senkrecht zur Laufrichtung, also z. B. senkrecht zu einem Lichtstrahl. Sie benötigen kein Medium und laufen im Vakuum mit der enormen Geschwin­digkeit c ≈ 3 × 108 m/s. Das ist die höchste Geschwindigkeit, die überhaupt erreicht werden kann. Nach den Postulaten der Relativitätstheorie kann sie von keinem Objekt mit Masse erreicht werden.

Spektrum

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen erstreckt sich kontinuierlich von λ = 0 bis λ = ∞. Es kann grundsätzlich alle Wellenlängen geben. Abb. 2 zeigt: Je größer ein Objekt ist, umso lang­welliger ist in der Regel die Strahlung, die es erzeugt. Der Bereich des Lichts, also der Strahlung, die wir mit unseren Sinnen wahrnehmen können, ist ein winziger Ausschnitt aus dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 800 nm. Diese Strahlung wird durch die äußeren Bereiche der Hülle von Atomen und Molekülen erzeugt. Auf der kurz­welligen Seite schließt sich das UV (ultraviolette Strahlung) an, auf der langwelligen Seite das IR (infra­rote Strahlung, Wärmestrahlung). Dann folgen die Mikrowellen und schließlich die Radiowellen. Auf der kurzwelligen Seite folgt hinter dem UV die Röntgenstrahlung und schließlich die Gamma­strahlung. Die Grenze zwischen beiden ist fließend. Als Gammastrahlung bezeichnet man meist nur die Strahlung, die von Atomkernen oder bei Elementarteilchenprozessen emittiert wird, und als Röntgenstrahlung jede andere kurzwellige Strahlung, z.B. auch Synchrotron­strahlung oder die Strahlung aus dem inneren Bereich der Elektronenhülle von Atomen und Molekülen.

Lichtteilchen

Phänomene der klassischen Physik und Optik lassen sich mit elektromagnetischen Wellen beschreiben. In der Quantenphysik zeigt sich, dass man Licht unter bestimmten Umständen auch auch als "Lichtteilchen" sehen muss, die man Photonen nennt. Das hat sich zuerst beim Fotoeffekt gezeigt. Wie alles in der Natur, unterliegt auch Licht dem Welle-Teilchen-Dualismus.