Strahlenmodell und Wellenmodell der Optik

Das Strahlenmodell als Teilbereich der klassischen Optik

Die Optik ist ein Teilbereich der Physik, der sich mit den Phänomenen der Ausbreitung des Lichts befasst. Die Lehre der Optik wird unterteilt in klassische Optik und Quantenoptik. In diesem Lerntext geht es um die klassische Optik und nicht um die moderne Quantenoptik, die erst nach der Entdeckung des Fotoeffekts entstanden ist.

Die beiden wichtigsten Modelle der klassischen Optik sind das sogenannte Strahlenmodell und das Wellenmodell. Beide Modelle haben ihre Vor- und Nachteile und manche Phänomene der Optik können nur jeweils mit einem der beiden Modelle interpretiert werden.

Das Strahlenmodell

Das Strahlenmodell geht von der Annahme aus, dass Licht sich in geradlinigen Strahlen ausbreitet – es sei denn, es wird von einem Gegenstand daran gehindert. Diese Beschreibung des Lichts in Form geometrischer Linien findest du vor allem bei der Untersuchung des Lichtwegs durch Spiegel, Prismen oder Linsen. Die Strahlenoptik wird auch geometrische Optik genannt, die sich auch mit der Abbildung von Gegenständen wie bei der Lochkamera beschäftigt. Außerdem eignet sich dieses Strahlenmodell gut, um die Gesetze von Reflexion und Brechung anschaulich zu erklären.

Das Wellenmodell

Es gibt jedoch optische Phänomene, die sich nicht im Strahlenmodell erklären lassen, etwa das Phänomen der Beugung von Licht: Wenn Licht auf eine kleine Öffnung trifft, breitet es sich hinter dieser Öffnung auch in Bereichen aus, die nach der Vorstellung des Strahlenmodells eigentlich im Schatten des Körpers liegen sollten. Dieses Phänomen lässt sich im Wellenmodell erklären, in dem davon ausgegangen wird, dass das Licht sich genauso ausbreitet wie Wasserwellen. Auch sind Interferenz und Polarisation von Licht nur im Wellenmodell beschreibbar.

Vergleich der Modelle

Vielleicht wunderst du dich, wie es sein kann, dass in einem Bereich der Physik zwei Modelle nebeneinander existieren. Es ist sehr gut, wenn dich das irritiert, denn es hilft, in Erinnerung zu behalten, dass die Beschreibungen in der Physik eben Modelle sind, also gedankliche Konzepte, in denen Vorstellungen von der Wirklichkeit entworfen und getestet werden, die aber die Wirklichkeit der Phänomene nicht vollständig beschreiben müssen. In der quantenphysikalischen Interpretation des Lichts wurde von vielen Physikerinnen und Physikern sogar die Idee aufgegeben, dass man sich eine einzige gültige Vorstellung von der Natur des Lichts machen könnte. Auf diese Fragen werden wir hier jedoch nicht weiter eingehen, sondern uns mit den Phänomenen der Brechung und der Reflexion von Licht beschäftigen.

Brechung und Reflexion von Licht

Die Phänomene der Brechung und Reflexion von Licht kennst du aus dem Alltag. Wenn Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, treten Reflexionen auf, die sogar blenden können. Wenn ein Gegenstand unter Wasser womöglich an einem anderen Ort zu sein scheint, als er tatsächlich ist, handelt es sich um das Phänomen der Brechung von Licht.

Nun könntest du darüber nachdenken, was da eigentlich passiert. Im Fall der Reflexion könntest du auf die Idee kommen, das Licht in Analogie zu einem Strahl von Billardkugeln aufzufassen, die an eine Bande stoßen und abprallen. Im Fall der Lichtbrechung könntest du auf die Idee kommen, dir das Licht als eine Menschenkette vorzustellen: Die Personen halten sich an den Händen und laufen über einen Strand und schräg auf das Meer zu. Da es schwieriger ist, im Wasser zu laufen, werden die Personen, die das Meer zuerst erreichen, im Wasser langsamer laufen als die anderen. Dadurch bekommt die Bahnkurve insgesamt einen Knick.

Beide Modelle sind bloß Vorstellungen. Sie sind aber nicht beliebig, weil sie den Phänomenen gut entsprechen und dabei helfen, Gesetze zu finden, deren Gültigkeit nicht durch andere Experimente widerlegt werden kann. Zum Beispiel ist es in der Tat so, dass die Brechung von Licht immer dann stattfindet, wenn das Licht von einem Medium (z. B. Luft) in ein anderes Medium (z. B. Wasser) eintritt, in dem es sich mit einer anderen Geschwindigkeit fortbewegt. Und ja, vielleicht wusstest du es noch nicht: Das Licht bewegt sich in unterschiedlichen Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit!

Die Ausbreitung von Licht in verschiedenen Medien

Du weißt vermutlich, dass die meisten Physikerinnen und Physiker davon ausgehen, dass es nichts gibt, was sich schneller als das Licht fortbewegen kann. Wie kann man die Geschwindigkeit von Licht messen? Man verwendet z. B. eine Leuchtdiode, die Lichtblitze aussendet. Diese werden über einen Strahlteiler auf zwei Empfänger geleitet, die in unterschiedlichen Entfernungen zur Diode stehen. Die Signale, die die Empfänger empfangen, werden auf einem Oszilloskop angezeigt. Auf diesem kann man dann ablesen, welche Zeit $t$ das Licht für die Wegdifferenz $d$ benötigt hat. Die gemessene Geschwindigkeit des Lichts $c$ ist dann:

$c = \dfrac{d}{t}$

Will man die Lichtgeschwindigkeit in einem anderen Stoff messen, bringt man diesen einfach in den Lichtweg. Für das Vakuum erhält man eine Lichtgeschwindigkeit von ${c = \pu{299792,458 km//s}}$. In Luft ist Licht nur um ca. ${0{,}003\, \%}$ langsamer, in Wasser jedoch schon um $25\, \%$.

Das fermatsche Prinzip

Ungeachtet der Interpretation des Lichts beispielsweise als Strahl von Billardkugeln oder als Menschenkette gibt es in der Physik mathematische Konzepte, die ohne eine inhaltliche Interpretation der Natur des Lichts auskommen. Ein solches Prinzip ist das fermatsche Prinzip (nach dem französischen Wissenschaftler Pierre de Fermat), das eine Aussage über den Weg des Lichts macht, nicht aber über seine Beschaffenheit (als Teilchen oder Welle). Das fermatsche Prinzip ist ein sogenanntes Extremalprinzip in Bezug auf die Laufzeit des Lichts.

Mithilfe des fermatschen Prinzips lassen sich Lichtbrechung und Reflexion mathematisch herleiten.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Strahlenmodell und Wellenmodell der Optik