Licht -Light

Ein dreieckiges Prisma , das einen weißen Lichtstrahl streut . Die längeren Wellenlängen (rot) und die kürzeren Wellenlängen (blau) werden getrennt.

Licht oder sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung innerhalb des Teils des elektromagnetischen Spektrums , der vom menschlichen Auge wahrgenommen wird . Sichtbares Licht wird üblicherweise mit Wellenlängen im Bereich von 400–700 Nanometern (nm) definiert, was Frequenzen von 750–420 Terahertz entspricht , zwischen Infrarot (mit längeren Wellenlängen) und Ultraviolett (mit kürzeren Wellenlängen).

In der Physik kann sich der Begriff "Licht" allgemeiner auf elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge beziehen, ob sichtbar oder nicht. Licht sind in diesem Sinne auch Gammastrahlen , Röntgenstrahlen , Mikrowellen und Radiowellen . Die primären Eigenschaften von Licht sind Intensität , Ausbreitungsrichtung, Frequenz- oder Wellenlängenspektrum und Polarisation . Seine Geschwindigkeit im Vakuum , 299 792 458 Meter pro Sekunde (m/s), ist eine der fundamentalen Naturkonstanten . Wie alle Arten von elektromagnetischer Strahlung breitet sich sichtbares Licht durch masselose Elementarteilchen aus, die Photonen genannt werden , die die Quanten des elektromagnetischen Felds darstellen, und kann sowohl als Wellen als auch als Teilchen analysiert werden . Die Untersuchung des Lichts, bekannt als Optik , ist ein wichtiges Forschungsgebiet der modernen Physik .

Die Hauptquelle des natürlichen Lichts auf der Erde ist die Sonne . Historisch gesehen war Feuer eine weitere wichtige Lichtquelle für den Menschen , von alten Lagerfeuern bis hin zu modernen Petroleumlampen . Mit der Entwicklung von elektrischem Licht und Energiesystemen hat elektrisches Licht das Feuerlicht effektiv ersetzt.

Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht

Das elektromagnetische Spektrum , wobei der sichtbare Teil hervorgehoben ist

Im Allgemeinen wird elektromagnetische Strahlung (EMR) nach Wellenlänge in Radiowellen , Mikrowellen , Infrarot , das sichtbare Spektrum , das wir als Licht wahrnehmen, Ultraviolett , Röntgen- und Gammastrahlen eingeteilt . Die Bezeichnung „ Strahlung “ schließt statische elektrische , magnetische und Nahfelder aus .

Das Verhalten von EMR hängt von seiner Wellenlänge ab. Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen haben längere Wellenlängen. Wenn EMR mit einzelnen Atomen und Molekülen interagiert, hängt sein Verhalten von der Energiemenge pro Quant ab, die es trägt.

EMR im Bereich des sichtbaren Lichts besteht aus Quanten ( Photonen genannt ), die sich am unteren Ende der Energien befinden, die in der Lage sind, eine elektronische Anregung innerhalb von Molekülen zu verursachen, was zu Änderungen in der Bindung oder Chemie des Moleküls führt. Am unteren Ende des sichtbaren Lichtspektrums wird EMR für den Menschen unsichtbar (Infrarot), weil seine Photonen nicht mehr genug individuelle Energie haben, um eine dauerhafte molekulare Veränderung (eine Konformationsänderung) im visuellen Molekül Retinal in der menschlichen Netzhaut zu bewirken, die Veränderung löst das Gefühl des Sehens aus.

Es gibt Tiere, die für verschiedene Arten von Infrarot empfindlich sind, aber nicht durch Quantenabsorption. Die Infrarotsensorik bei Schlangen hängt von einer Art natürlicher Wärmebildgebung ab, bei der winzige Päckchen Zellwasser durch die Infrarotstrahlung auf Temperatur gebracht werden. EMR in diesem Bereich verursacht molekulare Vibrations- und Erwärmungseffekte, wodurch diese Tiere es erkennen.

Oberhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts wird ultraviolettes Licht für den Menschen unsichtbar, vor allem weil es unterhalb von 360 nm von der Hornhaut und unterhalb von 400 nm von der inneren Linse absorbiert wird. Darüber hinaus können die Stäbchen und Zapfen , die sich in der Netzhaut des menschlichen Auges befinden, die sehr kurzen (unter 360 nm) UV-Wellenlängen nicht wahrnehmen und werden tatsächlich durch UV geschädigt. Viele Tiere mit Augen, die keine Linsen benötigen (wie Insekten und Garnelen), sind in der Lage, Ultraviolett durch Quantenphotonen-Absorptionsmechanismen auf ähnliche chemische Weise zu erkennen, wie Menschen sichtbares Licht erkennen.

Verschiedene Quellen definieren sichtbares Licht so eng wie 420–680 nm bis so breit wie 380–800 nm. Unter idealen Laborbedingungen kann der Mensch Infrarot bis mindestens 1.050 nm sehen; Kinder und junge Erwachsene können ultraviolette Wellenlängen bis hinunter zu etwa 310–313 nm wahrnehmen.

Das Pflanzenwachstum wird auch durch das Farbspektrum des Lichts beeinflusst, ein Prozess, der als Photomorphogenese bekannt ist .

Lineares sichtbares Spektrum.svg

Lichtgeschwindigkeit

Sonnenstrahl in der Höhle von Rocca ill'Abissu in Fondachelli-Fantina , Sizilien

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist mit exakt  299.792.458 m/s (ca. 186.282 Meilen pro Sekunde) definiert. Der feste Wert der Lichtgeschwindigkeit in SI-Einheiten ergibt sich daraus, dass das Meter nun über die Lichtgeschwindigkeit definiert wird. Alle Formen elektromagnetischer Strahlung bewegen sich im Vakuum mit genau dieser gleichen Geschwindigkeit.

Im Laufe der Geschichte haben verschiedene Physiker versucht, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Galileo versuchte im siebzehnten Jahrhundert, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Ein frühes Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1676 von Ole Rømer , einem dänischen Physiker, durchgeführt. Mit einem Teleskop beobachtete Rømer die Bewegungen des Jupiter und eines seiner Monde , Io . Er bemerkte Diskrepanzen in der scheinbaren Periode von Ios Umlaufbahn und berechnete, dass Licht etwa 22 Minuten braucht, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren. Seine Größe war damals jedoch noch nicht bekannt. Wenn Rømer den Durchmesser der Erdumlaufbahn gekannt hätte, hätte er eine Geschwindigkeit von 227 000 000 m/s berechnet.

Eine weitere genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1849 in Europa von Hippolyte Fizeau durchgeführt . Fizeau richtete einen Lichtstrahl auf einen mehrere Kilometer entfernten Spiegel. Ein rotierendes Zahnrad wurde in den Weg des Lichtstrahls gesetzt, während er von der Quelle zum Spiegel wanderte und dann zu seinem Ursprung zurückkehrte. Fizeau fand heraus, dass der Strahl bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit auf dem Weg nach draußen durch eine Lücke im Rad und auf dem Rückweg durch die nächste Lücke gehen würde. In Kenntnis des Abstands zum Spiegel, der Anzahl der Zähne des Rads und der Rotationsgeschwindigkeit konnte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit mit 313 000 000 m/s berechnen.

Léon Foucault führte 1862 ein Experiment durch, bei dem rotierende Spiegel verwendet wurden, um einen Wert von 298 000 000 m/s zu erhalten. Albert A. Michelson führte von 1877 bis zu seinem Tod 1931 Experimente zur Lichtgeschwindigkeit durch. Er verfeinerte Foucaults Methoden 1926 mit verbesserte rotierende Spiegel, um die Zeit zu messen, die das Licht für eine Hin- und Rückfahrt vom Mount Wilson zum Mount San Antonio in Kalifornien benötigte. Die genauen Messungen ergaben eine Geschwindigkeit von 299 796 000 m/s.

Die effektive Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen transparenten Substanzen, die gewöhnliche Materie enthalten , ist geringer als im Vakuum. Beispielsweise beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Wasser etwa 3/4 der im Vakuum.

Zwei unabhängige Physikerteams sollen Licht zu einem „völligen Stillstand“ gebracht haben, indem sie es durch ein Bose-Einstein-Kondensat des Elements Rubidium geleitet haben, ein Team an der Harvard University und dem Rowland Institute for Science in Cambridge, Massachusetts und das andere am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics , ebenfalls in Cambridge. Die populäre Beschreibung, dass Licht in diesen Experimenten "gestoppt" wird, bezieht sich jedoch nur auf Licht, das in den angeregten Zuständen von Atomen gespeichert und dann zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt wieder emittiert wird, wenn es durch einen zweiten Laserpuls angeregt wird. In der Zeit, in der es "aufgehört" hatte, hatte es aufgehört, hell zu sein.

Optik

Die Lehre vom Licht und der Wechselwirkung von Licht und Materie wird als Optik bezeichnet . Die Beobachtung und Untersuchung optischer Phänomene wie Regenbögen und Polarlichter bieten viele Hinweise auf die Natur des Lichts.

Brechung

Aufgrund der Lichtbrechung erscheint der in Wasser getauchte Strohhalm bei Betrachtung aus einem flachen Winkel gebogen und die Linealskala gestaucht.

Brechung ist die Beugung von Lichtstrahlen beim Durchgang durch eine Oberfläche zwischen einem transparenten Material und einem anderen. Es wird durch das Snellsche Gesetz beschrieben :

wobei θ 1 der Winkel zwischen dem Strahl und der Oberflächennormalen im ersten Medium ist, θ 2 der Winkel zwischen dem Strahl und der Oberflächennormalen im zweiten Medium ist und n 1 und n 2 die Brechungsindizes sind, n = 1 in ein Vakuum und n > 1 in einer transparenten Substanz .

Wenn ein Lichtstrahl die Grenze zwischen einem Vakuum und einem anderen Medium oder zwischen zwei verschiedenen Medien überquert, ändert sich die Wellenlänge des Lichts, aber die Frequenz bleibt konstant. Wenn der Lichtstrahl nicht orthogonal (oder eher normal) zur Grenze ist, führt die Änderung der Wellenlänge zu einer Änderung der Richtung des Strahls. Diese Richtungsänderung wird als Brechung bezeichnet .

Die Brechungsqualität von Linsen wird häufig verwendet, um Licht zu manipulieren, um die scheinbare Größe von Bildern zu verändern. Lupen , Brillen , Kontaktlinsen , Mikroskope und Refraktoren sind Beispiele für diese Manipulation.

Lichtquellen

Es gibt viele Lichtquellen. Ein Körper mit einer bestimmten Temperatur emittiert ein charakteristisches Spektrum an Schwarzkörperstrahlung . Eine einfache thermische Quelle ist das Sonnenlicht, die von der Chromosphäre der Sonne bei etwa 6.000 Kelvin (5.730 Grad Celsius; 10.340 Grad Fahrenheit) emittierte Strahlung hat ihren Höhepunkt im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, wenn sie in Wellenlängeneinheiten und etwa 44 % der Sonnenlichtenergie aufgetragen wird der den Boden erreicht, ist sichtbar. Ein weiteres Beispiel sind Glühbirnen , die nur etwa 10 % ihrer Energie als sichtbares Licht und den Rest als Infrarot abgeben. Eine in der Geschichte übliche thermische Lichtquelle sind die leuchtenden festen Partikel in Flammen , aber auch diese emittieren den größten Teil ihrer Strahlung im Infrarotbereich und nur einen Bruchteil im sichtbaren Spektrum.

Der Höhepunkt des Schwarzkörperspektrums liegt bei relativ kühlen Objekten wie Menschen im tiefen Infrarot bei etwa 10 Mikrometer Wellenlänge. Wenn die Temperatur ansteigt, verschiebt sich der Peak zu kürzeren Wellenlängen und erzeugt zuerst ein rotes Leuchten, dann ein weißes und schließlich eine blau-weiße Farbe, wenn sich der Peak aus dem sichtbaren Teil des Spektrums in den ultravioletten Bereich bewegt. Diese Farben können gesehen werden, wenn Metall auf "rotglühend" oder "weißglühend" erhitzt wird. Eine blau-weiße thermische Emission wird nicht oft beobachtet, außer bei Sternen (die häufig gesehene rein blaue Farbe in einer Gasflamme oder einem Schweißbrenner ist tatsächlich auf molekulare Emission zurückzuführen, insbesondere durch CH-Radikale (die ein Wellenlängenband um 425 emittieren). nm und wird nicht in Sternen oder reiner Wärmestrahlung gesehen).

Atome emittieren und absorbieren Licht mit charakteristischen Energien. Dies erzeugt „ Emissionslinien “ im Spektrum jedes Atoms. Die Emission kann spontan erfolgen , wie bei Leuchtdioden , Gasentladungslampen (wie Neonlampen und Neonschildern , Quecksilberdampflampen usw.) und Flammen (Licht aus dem heißen Gas selbst – also beispielsweise Natrium in einem Gasflamme gibt charakteristisches gelbes Licht ab). Die Emission kann auch stimuliert werden , wie bei einem Laser oder einem Mikrowellen - Maser .

Die Verzögerung eines freien geladenen Teilchens wie eines Elektrons kann sichtbare Strahlung erzeugen: Zyklotronstrahlung , Synchrotronstrahlung und Bremsstrahlung sind Beispiele dafür. Teilchen, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium durch ein Medium bewegen, können sichtbare Tscherenkow-Strahlung erzeugen . Bestimmte Chemikalien erzeugen durch Chemolumineszenz sichtbare Strahlung . Bei Lebewesen wird dieser Vorgang als Biolumineszenz bezeichnet . Zum Beispiel erzeugen Glühwürmchen auf diese Weise Licht, und Boote, die sich durch Wasser bewegen, können Plankton stören, das eine leuchtende Kielwasser erzeugt.

Bestimmte Substanzen erzeugen Licht, wenn sie von energiereicherer Strahlung beleuchtet werden, ein Prozess, der als Fluoreszenz bekannt ist . Einige Substanzen emittieren Licht langsam nach Anregung durch energiereichere Strahlung. Dies wird als Phosphoreszenz bezeichnet . Phosphoreszierende Materialien können auch durch Beschuss mit subatomaren Teilchen angeregt werden. Kathodolumineszenz ist ein Beispiel. Dieser Mechanismus wird in Fernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhre und Computermonitoren verwendet .

Hong Kong beleuchtet durch buntes künstliches Licht .

Bestimmte andere Mechanismen können Licht erzeugen:

Wenn der Begriff Licht sehr hochenergetische Photonen (Gammastrahlen) umfassen soll, umfassen zusätzliche Erzeugungsmechanismen:

Messung

Licht wird mit zwei alternativen Haupteinheiten gemessen: Die Radiometrie besteht aus Messungen der Lichtleistung bei allen Wellenlängen, während die Photometrie Licht mit einer Wellenlänge misst, die in Bezug auf ein standardisiertes Modell der menschlichen Helligkeitswahrnehmung gewichtet ist. Die Photometrie ist beispielsweise nützlich, um die Beleuchtung (Beleuchtung) zu quantifizieren, die für den menschlichen Gebrauch bestimmt ist.

Die Photometrieeinheiten unterscheiden sich von den meisten Systemen physikalischer Einheiten dadurch, dass sie berücksichtigen, wie das menschliche Auge auf Licht reagiert. Es gibt drei Arten von Zapfenzellen im menschlichen Auge, die über das sichtbare Spektrum hinweg unterschiedlich reagieren, und die kumulative Reaktionsspitze liegt bei einer Wellenlänge von etwa 555 nm. Daher erscheinen zwei Lichtquellen, die die gleiche Intensität (W/m 2 ) an sichtbarem Licht erzeugen , nicht notwendigerweise gleich hell. Die Fotometrieeinheiten sind darauf ausgelegt, dies zu berücksichtigen, und stellen daher besser dar, wie "hell" ein Licht zu sein scheint, als die rohe Intensität. Sie beziehen sich auf die Rohleistung durch eine als Lichtausbeute bezeichnete Größe und werden verwendet, um beispielsweise zu bestimmen, wie am besten eine ausreichende Beleuchtung für verschiedene Aufgaben im Innen- und Außenbereich erreicht werden kann. Die von einem Fotozellensensor gemessene Beleuchtung entspricht nicht unbedingt dem, was das menschliche Auge wahrnimmt, und ohne Filter, die kostspielig sein können, neigen Fotozellen und ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) dazu, auf etwas Infrarot , Ultraviolett oder beides zu reagieren.

Leichter Druck

Licht übt physikalischen Druck auf Objekte auf seinem Weg aus, ein Phänomen, das aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet werden kann, aber einfacher durch die Teilchennatur des Lichts erklärt werden kann: Photonen treffen und übertragen ihren Impuls. Der Lichtdruck ist gleich der Leistung des Lichtstrahls dividiert durch c , die Lichtgeschwindigkeit.  Aufgrund der Größe von c ist die Wirkung von Lichtdruck für Alltagsgegenstände vernachlässigbar.  Beispielsweise übt ein Ein-Milliwatt -Laserpointer eine Kraft von etwa 3,3 Pikonewton auf das beleuchtete Objekt aus; Man könnte also mit Laserpointern einen US-Penny heben , aber dazu wären etwa 30 Milliarden 1-mW-Laserpointer erforderlich.  Bei Anwendungen im Nanometerbereich wie nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) ist die Wirkung von Lichtdruck jedoch bedeutender, und die Ausnutzung von Lichtdruck zum Antreiben von NEMS-Mechanismen und zum Umlegen physikalischer Schalter im Nanometerbereich in integrierten Schaltkreisen ist ein aktives Forschungsgebiet. In größeren Maßstäben kann leichter Druck dazu führen , dass sich Asteroiden schneller drehen und auf ihre unregelmäßigen Formen einwirken wie auf die Flügel einer Windmühle .  Die Möglichkeit, Sonnensegel herzustellen , die Raumschiffe im Weltraum beschleunigen würden, wird ebenfalls untersucht.

Obwohl die Bewegung des Crookes-Radiometers ursprünglich auf Lichtdruck zurückgeführt wurde, ist diese Interpretation falsch; Die charakteristische Crookes-Rotation ist das Ergebnis eines Teilvakuums. Dies sollte nicht mit dem Nichols-Radiometer verwechselt werden , bei dem die durch Drehmoment verursachte (leichte) Bewegung (obwohl nicht genug für eine volle Drehung gegen Reibung) direkt durch leichten Druck verursacht wird. Als Folge des Lichtdrucks sagte Einstein 1909 die Existenz von "Strahlungsreibung" voraus, die der Bewegung der Materie entgegenwirken würde. Er schrieb: „Strahlung übt Druck auf beide Seiten der Platte aus. Die auf die beiden Seiten ausgeübten Druckkräfte sind gleich, wenn die Platte ruht. Wenn sie sich jedoch bewegt, wird mehr Strahlung auf der Oberfläche reflektiert als.“ während der Bewegung vorn (Vorderfläche) als auf der Rückseite, die nach hinten wirkende Druckkraft auf die Vorderfläche ist also größer als die auf die Rückseite wirkende Druckkraft, es bleibt also als Resultierende der beiden Kräfte übrig eine Kraft, die der Bewegung der Platte entgegenwirkt und die mit der Geschwindigkeit der Platte zunimmt. Wir werden diese resultierende 'Strahlungsreibung' kurz 'Strahlungsreibung' nennen."

Normalerweise ist Lichtimpuls mit seiner Bewegungsrichtung ausgerichtet. Jedoch ist beispielsweise bei evaneszenten Wellen der Impuls quer zur Ausbreitungsrichtung.

Historische Lichttheorien in chronologischer Reihenfolge

Klassisches Griechenland und Hellenismus

Im fünften Jahrhundert v. Chr. postulierte Empedokles , dass alles aus vier Elementen zusammengesetzt sei ; Feuer, Luft, Erde und Wasser. Er glaubte, dass Aphrodite aus den vier Elementen das menschliche Auge gemacht hat und dass sie das Feuer im Auge angezündet hat, das aus dem Auge hervorstrahlt, das das Sehen ermöglicht. Wenn dem so wäre, dann könnte man in der Nacht ebenso gut sehen wie am Tag, so dass Empedokles eine Wechselwirkung zwischen Augenstrahlen und Strahlen einer Quelle wie der Sonne postulierte.

Um 300 v. Chr. schrieb Euklid Optica , in dem er die Eigenschaften des Lichts untersuchte. Euklid postulierte, dass sich Licht in geraden Linien fortbewegt, und er beschrieb die Reflexionsgesetze und untersuchte sie mathematisch. Er stellte in Frage, dass das Sehen das Ergebnis eines Strahls aus dem Auge ist, denn er fragt, wie man die Sterne sofort sieht, wenn man die Augen schließt und sie dann nachts öffnet. Wenn der Strahl des Auges unendlich schnell wandert, ist dies kein Problem.

Im Jahr 55 v. Chr. schrieb Lucretius , ein Römer, der die Ideen früherer griechischer Atomisten weiterführte : „Das Licht und die Wärme der Sonne; diese bestehen aus winzigen Atomen, die, wenn sie weggeschoben werden, keine Zeit verlieren, quer zu schießen der Luftzwischenraum in der durch den Schub gegebenen Richtung." (aus Über die Natur des Universums ). Obwohl Lucretius 'Ansichten späteren Teilchentheorien ähnlich waren, wurden sie nicht allgemein akzeptiert. Ptolemäus (ca. 2. Jahrhundert) schrieb in seinem Buch Optik über die Lichtbrechung .

Klassisches Indien

Im alten Indien entwickelten die hinduistischen Schulen von Samkhya und Vaisheshika etwa in den frühen Jahrhunderten n. Chr. Theorien über Licht. Nach der Samkhya-Schule ist Licht eines der fünf grundlegenden "feinen" Elemente ( Tanmatra ), aus denen die groben Elemente hervorgehen. Die Atomarität dieser Elemente wird nicht ausdrücklich erwähnt, und es scheint, dass sie tatsächlich als kontinuierlich angesehen wurden. Andererseits gibt die Vaisheshika-Schule eine atomare Theorie der physischen Welt auf der nicht-atomaren Grundlage von Äther , Raum und Zeit. (Siehe Indischer Atomismus .) Die grundlegenden Atome sind die der Erde ( prthivi ), des Wassers ( pani ), des Feuers ( agni ) und der Luft ( vayu ) . Je nach Geschwindigkeit und Anordnung der Tejas- Atome können die Lichtteilchen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Das Vishnu Purana bezeichnet das Sonnenlicht als „die sieben Strahlen der Sonne“.

Die indischen Buddhisten , wie Dignāga im fünften Jahrhundert und Dharmakirti im siebten Jahrhundert, entwickelten eine Art Atomismus, der eine Philosophie über die Realität ist, die aus atomaren Einheiten besteht, die vorübergehende Licht- oder Energieblitze sind. Sie betrachteten Licht als eine atomare Einheit, die der Energie entspricht.

Descartes

René Descartes (1596–1650) hielt Licht für eine mechanische Eigenschaft des Leuchtkörpers und lehnte die „Formen“ von Ibn al-Haytham und Witelo sowie die „Spezies“ von Bacon , Grosseteste und Kepler ab . 1637 veröffentlichte er eine Theorie der Lichtbrechung , die fälschlicherweise annahm, dass sich Licht in einem dichteren Medium schneller ausbreitet als in einem weniger dichten Medium. Zu diesem Schluss gelangte Descartes in Analogie zum Verhalten von Schallwellen. Obwohl Descartes in Bezug auf die relativen Geschwindigkeiten falsch lag, hatte er Recht mit der Annahme, dass sich Licht wie eine Welle verhält, und mit der Schlussfolgerung, dass die Brechung durch die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien erklärt werden kann.

Descartes ist nicht der erste, der die mechanischen Analogien verwendet, aber weil er klar behauptet, dass Licht nur eine mechanische Eigenschaft des leuchtenden Körpers und des Übertragungsmediums ist, gilt Descartes' Lichttheorie als Beginn der modernen physikalischen Optik.

Teilchentheorie

Pierre Gassendi (1592–1655), ein Atomist, schlug eine Teilchentheorie des Lichts vor, die in den 1660er Jahren posthum veröffentlicht wurde. Isaac Newton beschäftigte sich früh mit Gassendis Werk und zog seine Sichtweise der Theorie des Plenums von Descartes vor . Er stellte in seiner Lichthypothese von 1675 fest, dass Licht aus Korpuskeln (Materieteilchen) zusammengesetzt ist, die von einer Quelle in alle Richtungen emittiert werden. Eines von Newtons Argumenten gegen die Wellennatur des Lichts war, dass sich Wellen bekanntermaßen um Hindernisse biegen, während sich Licht nur in geraden Linien fortbewegt. Er erklärte jedoch das Phänomen der Lichtbeugung (das von Francesco Grimaldi beobachtet worden war ), indem er zuließ, dass ein Lichtteilchen eine lokalisierte Welle im Äther erzeugen könnte .

Newtons Theorie könnte verwendet werden, um die Reflexion von Licht vorherzusagen, konnte aber die Brechung nur erklären, indem fälschlicherweise angenommen wurde, dass Licht beim Eintritt in ein dichteres Medium beschleunigt wird, weil die Anziehungskraft größer war. Newton veröffentlichte die endgültige Fassung seiner Theorie in seinen Opticks von 1704. Sein Ruf verhalf der Teilchentheorie des Lichts im 18. Jahrhundert zum Durchbruch. Die Teilchentheorie des Lichts veranlasste Laplace zu der Behauptung, dass ein Körper so massiv sein könnte, dass kein Licht aus ihm entweichen könnte. Mit anderen Worten, es würde zu dem werden, was man heute ein Schwarzes Loch nennt . Laplace zog seinen Vorschlag später zurück, nachdem sich eine Wellentheorie des Lichts als Modell für Licht fest etabliert hatte (wie erklärt wurde, ist weder eine Teilchen- noch eine Wellentheorie vollständig korrekt). Eine Übersetzung von Newtons Essay über Licht erscheint in The large scale structure of space-time von Stephen Hawking und George FR Ellis .

Dass Licht polarisiert werden kann, wurde von Newton mit der Teilchentheorie erstmals qualitativ erklärt. Étienne-Louis Malus schuf 1810 eine mathematische Teilchentheorie der Polarisation. Jean-Baptiste Biot zeigte 1812, dass diese Theorie alle bekannten Phänomene der Lichtpolarisation erklärt. Damals galt die Polarisation als Beweis der Teilchentheorie.

Wellentheorie

Um den Ursprung der Farben zu erklären , entwickelte Robert Hooke (1635–1703) in seinem Werk Micrographia („Observation IX“) von 1665 eine „Pulstheorie“ und verglich die Lichtausbreitung mit der von Wellen im Wasser . 1672 schlug Hooke vor, dass die Schwingungen des Lichts senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sein könnten . Christiaan Huygens (1629–1695) arbeitete 1678 eine mathematische Wellentheorie des Lichts aus und veröffentlichte sie 1690 in seiner Abhandlung über das Licht . Er schlug vor, dass Licht in alle Richtungen als eine Reihe von Wellen in einem Medium namens Lichtäther emittiert wird . Da Wellen nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden, wurde angenommen, dass sie beim Eintritt in ein dichteres Medium langsamer werden.

Thomas Youngs Skizze eines Doppelspaltexperiments, das Beugung zeigt . Youngs Experimente unterstützten die Theorie, dass Licht aus Wellen besteht.

Die Wellentheorie sagte voraus, dass sich Lichtwellen wie Schallwellen gegenseitig stören könnten (wie um 1800 von Thomas Young festgestellt wurde ). Young zeigte durch ein Beugungsexperiment, dass sich Licht wie Wellen verhält. Er schlug auch vor, dass unterschiedliche Farben durch unterschiedliche Lichtwellenlängen verursacht werden , und erklärte das Farbsehen mit dreifarbigen Rezeptoren im Auge. Ein weiterer Befürworter der Wellentheorie war Leonhard Euler . Er argumentierte in Nova theoria lucis et colorum (1746), dass die Beugung leichter durch eine Wellentheorie erklärt werden könne. 1816 brachte André-Marie Ampère Augustin-Jean Fresnel auf die Idee, dass die Polarisation von Licht durch die Wellentheorie erklärt werden kann, wenn Licht eine Transversalwelle wäre .

Später arbeitete Fresnel unabhängig seine eigene Wellentheorie des Lichts aus und präsentierte sie 1817 der Académie des Sciences . Siméon Denis Poisson fügte Fresnels mathematischer Arbeit hinzu, um ein überzeugendes Argument zugunsten der Wellentheorie zu liefern, und half dabei, Newtons Korpuskulartheorie umzustürzen. Bis zum Jahr 1821 konnte Fresnel mit mathematischen Methoden zeigen, dass die Polarisation genau dann durch die Wellentheorie des Lichts erklärt werden kann, wenn das Licht vollständig transversal ist, ohne jegliche Längsschwingung.

Die Schwäche der Wellentheorie bestand darin, dass Lichtwellen wie Schallwellen ein Medium zur Übertragung benötigen würden. Die Existenz der von Huygens 1678 vorgeschlagenen hypothetischen Substanz Lichtäther wurde im späten 19. Jahrhundert durch das Michelson-Morley-Experiment stark in Frage gestellt .

Newtons Korpuskulartheorie implizierte, dass sich Licht in einem dichteren Medium schneller ausbreiten würde, während die Wellentheorie von Huygens und anderen das Gegenteil implizierte. Damals konnte die Lichtgeschwindigkeit nicht genau genug gemessen werden, um zu entscheiden, welche Theorie richtig war. Der erste, der eine ausreichend genaue Messung durchführte, war Léon Foucault im Jahr 1850. Sein Ergebnis stützte die Wellentheorie und die klassische Teilchentheorie wurde endgültig aufgegeben, nur um im 20. Jahrhundert teilweise wieder aufzutauchen.

Elektromagnetische Theorie

Eine linear polarisierte elektromagnetische Welle, die entlang der x-Achse verläuft, wobei E das elektrische Feld und das senkrechte B das magnetische Feld bezeichnet

1845 entdeckte Michael Faraday , dass die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht gedreht wird, wenn sich die Lichtstrahlen in Gegenwart eines transparenten Dielektrikums entlang der Magnetfeldrichtung ausbreiten , ein Effekt, der heute als Faraday-Rotation bekannt ist . Dies war der erste Beweis dafür, dass Licht mit Elektromagnetismus zusammenhängt . 1846 spekulierte er, dass Licht eine Art Störung sein könnte, die sich entlang magnetischer Feldlinien ausbreitet. Faraday schlug 1847 vor, Licht sei eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung, die sich auch ohne ein Medium wie den Äther ausbreiten könne.

Faradays Arbeit inspirierte James Clerk Maxwell , elektromagnetische Strahlung und Licht zu untersuchen. Maxwell entdeckte, dass sich selbstausbreitende elektromagnetische Wellen mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Raum bewegen würden, die zufällig der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit entsprach. Daraus schloss Maxwell, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung sei: Er stellte dieses Ergebnis erstmals 1862 in On Physical Lines of Force fest . 1873 veröffentlichte er A Treatise on Electricity and Magnetism , das eine vollständige mathematische Beschreibung des Verhaltens elektrischer und magnetischer Felder enthielt, die noch immer als Maxwell-Gleichungen bekannt sind . Kurz darauf bestätigte Heinrich Hertz Maxwells Theorie experimentell, indem er Radiowellen im Labor erzeugte und detektierte und zeigte, dass sich diese Wellen genau wie sichtbares Licht verhielten und Eigenschaften wie Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz aufwiesen . Die Theorie von Maxwell und die Experimente von Hertz führten direkt zur Entwicklung von modernem Radio, Radar, Fernsehen, elektromagnetischer Bildgebung und drahtloser Kommunikation.

In der Quantentheorie werden Photonen als Wellenpakete der in der klassischen Theorie von Maxwell beschriebenen Wellen angesehen. Die Quantentheorie wurde benötigt, um Effekte auch mit sichtbarem Licht zu erklären, die Maxwells klassische Theorie nicht konnte (wie Spektrallinien ).

Quantentheorie

Im Jahr 1900 schlug Max Planck bei dem Versuch, die Schwarzkörperstrahlung zu erklären , vor, dass, obwohl Licht eine Welle sei, diese Wellen Energie nur in endlichen Mengen in Bezug auf ihre Frequenz gewinnen oder verlieren könnten. Planck nannte diese „Klumpen“ von Lichtenergie „ Quanten “ (von einem lateinischen Wort für „wie viel“). 1905 verwendete Albert Einstein die Idee der Lichtquanten, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, und schlug vor, dass diese Lichtquanten eine "reale" Existenz haben. 1923 zeigte Arthur Holly Compton , dass die beobachtete Wellenlängenverschiebung, wenn Röntgenstrahlen geringer Intensität von Elektronen gestreut werden (sogenannte Compton-Streuung ), durch eine Teilchentheorie der Röntgenstrahlen, aber nicht durch eine Wellentheorie erklärt werden kann. 1926 nannte Gilbert N. Lewis diese Lichtquantenteilchen Photonen .

Schließlich kam die moderne Theorie der Quantenmechanik dazu, Licht als (in gewissem Sinne) sowohl ein Teilchen als auch eine Welle und (in einem anderen Sinne) als ein Phänomen darzustellen, das weder ein Teilchen noch eine Welle ist (die eigentlich makroskopische Phänomene sind, wie z Baseball oder Meereswellen). Stattdessen sieht die moderne Physik Licht als etwas, das manchmal mit Mathematik beschrieben werden kann, die einer Art von makroskopischer Metapher (Partikel) und manchmal einer anderen makroskopischen Metapher (Wasserwellen) entspricht, aber eigentlich etwas ist, das man sich nicht vollständig vorstellen kann. Wie im Fall von Radiowellen und Röntgenstrahlen, die an der Compton-Streuung beteiligt sind, haben Physiker festgestellt, dass sich elektromagnetische Strahlung bei niedrigeren Frequenzen eher wie eine klassische Welle verhält, bei höheren Frequenzen jedoch eher wie ein klassisches Teilchen, aber nie vollständig verliert Qualitäten des einen oder anderen. Sichtbares Licht, das in der Frequenz einen Mittelweg einnimmt, kann in Experimenten leicht gezeigt werden, dass es entweder mit einem Wellen- oder einem Teilchenmodell oder manchmal mit beiden beschreibbar ist.

Im Februar 2018 berichteten Wissenschaftler erstmals über die Entdeckung einer neuen Form von Licht, bei der möglicherweise Polaritonen beteiligt sind, die bei der Entwicklung von Quantencomputern nützlich sein könnten .

Verwenden Sie für Licht auf der Erde

Sonnenlicht liefert die Energie , die grüne Pflanzen verwenden, um Zucker zu erzeugen, hauptsächlich in Form von Stärke , die Energie an die Lebewesen abgibt, die sie verdauen. Dieser Prozess der Photosynthese liefert praktisch die gesamte Energie, die von Lebewesen verbraucht wird. Einige Tierarten erzeugen ihr eigenes Licht, ein Prozess, der als Biolumineszenz bezeichnet wird . Zum Beispiel verwenden Glühwürmchen Licht, um Partner zu finden, und Vampirtintenfische verwenden es, um sich vor Beute zu verstecken.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links

  • Medien zum Thema Licht bei Wikimedia Commons
  • Die Wörterbuchdefinition von Licht bei Wiktionary
  • Zitate zu Licht bei Wikiquote