Licht als Welle

Licht und seine Eigenschaften

Die Sonne spendet der Erde, den Menschen, Tieren und den Pflanzen am Tag Licht. Ohne Licht wäre ein Leben, wie es heute auf der Erde existiert, nicht möglich, da die Pflanzen keine Photosynthese betreiben und so die Menschen und Tiere nicht mit Sauerstoff versorgen könnten. Nachts, wenn die Sonne nicht mehr am Himmel steht, werden Glühbirnen und andere künstliche Lichtquellen verwendet, damit es auch ohne Sonne hell ist.

Du siehst also, dass Licht ein essentielles Gut ist. Und das wusste die Menschheit auch schon vor mehreren Hundert Jahren: Seit dem frühen 17. Jahrhundert interessieren sich Wissenschaftler daher für die Natur des Lichts. Sie machten Experimente, um herauszufinden, was Licht ist und welche Eigenschaften Licht hat, und begründeten damit die Wellenoptik.

Die ersten Phänomene des Lichts, die entdeckt wurden, hast du sicherlich auch selbst schon beobachten können: Dass du dich selbst in einem Spiegel sehen kannst, hast du der Reflexion zu verdanken. Die Brechung des Lichts ist hingegen dafür verantwortlich, dass Gegenstände unter Wasser verzerrt und verschwommen erscheinen. Das Reflexionsgesetz und auch das Snelliussche Brechungsgesetz kannst du bereits verstehen, wenn du dir das Licht bloß als einen Strahl vorstellst. Dass Licht sich strahlenförmig ausbreitet, war auch die erste Vorstellung von Licht.

Wenn du in einem Zimmer deiner Wohnung das Licht anmachst, scheint es auch in andere Räume um die Ecke herein. Wenn du eine CD ins Licht hältst oder Seifenblasen beobachtest, kannst du glimmende Farben erkennen. Beide zugrunde liegenden Phänomene, Beugung und Interferenz, kannst du nicht verstehen, wenn du dir Licht als Strahl vorstellst. Hierfür musst du dir das Licht als Welle vorstellen. Mit Hilfe des Zeigerformalismus kannst du Wellenphänomene allerdings als Strahl darstellen.

Farben und elektromagnetische Wellen

Wenn du eine CD ins Licht hältst oder Seifenblasen beobachtest, kannst du die gleichen Farben erkennen, die auch in einem Regenbogen vorkommen. Vielleicht kennst du auch Glasprismen, wie sie an manchen Fensterscheiben hängen. Auch diese erzeugen Regenbogenfarben. Allen Phänomenen ist es gemeinsam, dass sie mit weißem Licht (von der Sonne oder Lampen) bestrahlt werden. Sicherlich fragst du dich, woher die Farben kommen? Wie du im Sommer regelmäßig erfährst, kann Sonnenlicht auch wärmen oder deine Haut verbrennen. All dies lässt sich durch das Wellenmodell des Lichts erklären.

Licht ist eine elektromagnetische Welle, also eine räumliche Ausbreitung von elektrischen und magnetischen Feldern in Lichtgeschwindigkeit. Sichtbares (weißes oder farbiges) Licht ist nur ein Bereich des elektromagnetischen Spektrums, das auch Radio-, Mikro- und Röntgenwellen enthält. Der einzige Unterschied zwischen den Strahlen, die dein Handy zum Telefonieren braucht, den Strahlen, die dein Essen in der Mikrowelle erwärmen, oder den Strahlen, die deinen Körper durchleuchten können, und Lichtstrahlen ist die Frequenz der Welle. Das Sonnenlicht enthält alle Farben und auch wärmende Infrarot- und verbrennende UV-Strahlung. In einer Seifenblase oder einer CD werden die Farbbestandteile des Lichts mit unterschiedlicher Frequenz einfach unterschiedlich stark gebrochen, sodass du sie unterscheiden kannst.

Röntgenstrahlung und ihre Eigenschaften

Die Röntgenstrahlen, die im Krankenhaus verwendet werden, um deine Knochen sichtbar zu machen, gehören ebenfalls zum elektromagnetischen Spektrum und unterscheiden sich von Licht nur durch ihrere höhere Frequenz. Als Wilhelm Conrad Röntgen die Röntgenstrahlung entdeckte, wusste er nicht, worum es sich handelt und nannte sie daher X-Strahlen (engl. x-ray). Sie zeichnen sich durch hohes Ionisationsvermögen und Durchdringungsvermögen aus und werden deswegen in der Medizin verwendet. Sie können aber aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge auch dazu verwendet werden, den Aufbau kleinster Kristalle zu studieren. Die Atome des Kristalls funktionieren dabei wie ein Gitter aus Spalten, wie du sie beim Doppelspaltexperiment kennenlernen wirst.