Elektrodynamik und Optik - Fachbereich Physik der Universität ...

138 Experimentalphysik 1 für Biologen & Chemiker
V20 Geometrische Optik: Spiegel, Linsen
Wiederholung
• Wellen lassen sich auch an Objekten beugen. Um die Beugung von Licht
sichtbar machen zu können, muss das Objekt sehr klein sein, z.B. ein
enger Spalt oder eine kleines Loch mit Abmessungen in der
Größenordnung der Wellenlänge des Lichts. Durch die Beugung kommt
es ebenfalls zu Interferenzen, die sich als alternierende
Intensitätsverteilung auf einem Schirm zeigt.
• Dazu wurde angenommen, dass die Interferenzerscheinung aus sich
überlagernden Wellen von punktförmig gedachten Lichtquellen im Spalt
resultiert, die zu dem beobachteten Hell-Dunkelmuster (ringförmig bei
Loch“spalt“, strichförmig bei Linienspalt) auf einem Projektionsschirm
führen. Frage: Wieso sind bei einem Linienspalt nicht auch ausgedehnte
Beugungsringe zu sehen?
• Dieses Beugungsphänomen lässt sich mit der Interferenz mehrerer
Strahlen aus unterschiedlichen, nebeneinander angeordneten Spalten
überlagern: Werden mehrere Spalte nebeneinander in kleinem Abstand
angeordnet, so können die aus ihnen austretenden (und jeweils
gebeugten) Lichtwellen zusätzlich miteinander interferieren. Dem
Beugungsmuster der Einzelspalte ist also das Interferenzmuster der
Lichtwellen zwischen den einzelnen Spalten überlagert.
• Da Licht unterschiedlicher Frequenzen (und damit Farben)
unterschiedlich stark an einem Spalt gebeugt wird, kann ein Gitter benutzt
werden, um einen weißen Lichtstrahl spektral aufzuspalten. (Anders als
bei einem Prisma beruht der Effekt allerdings nicht auf unterschiedlichen
Brechungsindizes.) Beispiel: CD, Schmetterlingsflügel.
• Die Interferenz von Lichtwellen erscheint bei dünnen und durchlässigen
Schichten, wie Seifenblasen, einer Ölschicht auf Wasserpfützen, auf der
Rückseite von CD-ROM's, auf Perlen, Vogelfedern und auch auf
Schmetterlingsflügel. Die an Vorder- und Rückseite einer durchlässigen
Schicht reflektierten Lichtwellen ergeben die Interferenzfarben.
• Wird Licht von kleinen Objekten (mit Abmessungen in der Größenordnung
der Wellenlänge des Lichts), Molekülen oder Atomen „reflektiert“, wird von
Streuung gesprochen. Drei Streuarten werden je nach Objektgröße
unterschieden: Rayleigh-, Raman- und Mie-Streuung.
6.2 Geometrische Optik mit Lichtstrahlen
Viele Gesetze lassen sich (phänomenologisch) ableiten, ohne den
Wellencharakter des Lichtes im Detail zu beachten. In der geometrischen Optik
wird von einer geradlinigen Ausbreitung des Lichtes ausgegangen, die sich gut
eignet, um die meisten Abbildungsphänomene zu erklären.
6.2.1 Das Licht als Teilchen (Photon)
Licht lässt sich bei mikroskopischer Betrachtung der optischen Prozesse
entweder als Welle beschreiben (bisher besprochene Wellenoptik) oder als
Teilchen, das sog. Photon. Seine Bewegung im Raum kann wie ein
Materieteilchen in der Mechanik behandelt werden. Die Bewegungsrichtung lässt
sich damit vektoriell beschreiben; man spricht dann auch von einem Lichtstrahl,
der den (scheinbaren) Lichtweg darstellt. (Die bei der Beugung und Interferenz
besprochenen Phänomene lassen sich allerdings mit Hilfe von Lichtstrahlen
allein nicht erklären.)