Licht und geometrische Optik

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Newton favorisierte eine Teilchenbeschreibung, weil er damit die geradlinige Ausbreitung
des Lichts erklären konnte. Er konnte auch die Gesetze der Brechung und Reflexion mit ihr
in Einklang bringen. Allerdings musste er annehmen, dass sich das Licht im Wasser oder
im Glas schneller als in der Luft ausbreitet; dies stellte sich später als falsch heraus.
Die Hauptbefürworter der Wellentheorie des Lichts waren Christian Huygens und Robert
Hooke. Huygens konnte die Reflexion und Brechung erklären. Dabei nahm er an, dass
sich Licht in transparenten Medien wie Wasser oder Glas deutlich langsamer als in Luft
ausbreitet.
Zu der Zeit waren Beugungseffekte, also die Ablenkung eines Lichtstrahls an einem Hindernis,
noch nicht beobachtet worden. Newtons großes Ansehen führte dazu, dass seine
Ablehnung der Wellentheorie des Lichts von vielen Wissenschaftlern übernommen wurde.
Newtons Teilchentheorie des Lichts wurde über 100 Jahre lang akzeptiert, bis im Jahr 1801
Thomas Young die Interferenz als Wellenphänomen erklärte. Solche Effekte treten sowohl
bei akustischen als auch bei Lichtwellen auf. Es dauerte aber mehr als ein Jahrzehnt bis
Youngs Ideen sich durchsetzen konnte. Einen wesentlichen Beitrag dazu lieferte Augustin
Fresnel, der umfassende Experimente zur Interferenz und zur Beugung durchführte und
dabei eine mathematische Formulierung der Wellentheorie erarbeitete. Er zeigte, dass die
beobachtete geradlinige Lichtausbreitung auf den sehr kurzen Wellenlängen des sichtbaren
Lichts beruht. Im Jahre 1850 wies Jean Foucault experimentell nach, dass die Lichtgeschwindigkeit
in Wasser kleiner als in Luft ist. Damit war Newtons Teilchentheorie widerlegt.
Im Jahre 1860 veröffentlichte James Maxwell seine Theorie des Elektromagnetismus.
Sie sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, die sich im Vakuum mit
Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten. Maxwells Theorie wurde im Jahre 1887 durch die
Versuche von Heinrich Hertz bestätigt. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden
die Maxwellsche Gleichungen verwendet, um die Interferenz und die Beugung von Licht
und anderen elektromagnetischen Wellen zu erklären. Damit erhielten die empirischen Methoden
von Huygens eine weitere theoretische Fundierung.
Es gibt aber Effekte, darunter den photoelektrischen Effekt, die man jedoch nur damit
erklären kann, wenn Licht auch ein Teilchencharakter hat. Die Lichtteilchen werden Photonen
genannt. Die Energie eines Photons hängt mit der Frequenz des Lichts zusammen
über:
E = hν
Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum. Nach 1920 zeigten Experimente, dass Elektronen
(also Teilchen) ebenfalls eine duale Natur besitzen, d.h. sowohl Welleneigenschaften
als auch Teilcheneigenschaften. Diese Erscheinungen werden Wellen-Teilchen-Dualismus
genannt.
In den letzten Jahrzehnten waren die technische Entwicklung in der Optik rasant. Die
Welt ohne Laser ist fast undenkbar. Ihre Anwendungen reichen von der Beobachtung unbekannter
optischer Effekte bis zum Abtasten von CDs und das Lesen von Barcodes im
Supermarkt!
Ich werde mich hier aber ausschließlich mit der Wellennatur des Lichts beschäftigen. Wir
messen zuerst die Geschwindigkeit des Lichts und dann werde ich das Huygensche Prinzip
Licht und geometrische Optik Lecture 31, 10/07/2002