Strahlen- und Wellentheorie des Lichtes

Strahlen- und Wellentheorie des Lichtes

Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen hat Erscheinungsformen die von Wechselströmen über Rundfunk, Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht, UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung beim Kernzerfall bis zur kosmologischen Strahlung reichen.

Licht als Korpuskelstrahl

Dieser veraltete Ansatz aus der Zeit von Newton modelliert das Licht als eine Aufeinanderfolge von materiellen Teilchen. In der heutigen Quantenelektrodynamik gibt es mit dem Photon zwar ein Lichtteilchen, doch ist dieses masselos, weil es nicht mit dem Higgs-Feld wechselwirkt.

Licht im Welle-Teilchen-Dualismus

Der Welle-Teilchen-Dualismus von Licht findet seine Erklärung in der Quantenmechanik, derzufolge Objekte der Quantenphysik sowohl Eigenschaften als Welle und als Teilchen haben. Die masselosen Photonen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sind die Quanten der elektromagnetischen Wechselwirkung.

Licht als Teilchenstrahl

Wenn man sich mit dem Weg auseinander setzt, den das Licht zurücklegt, dann modelliert man das Licht als einen Teilchenstrahl. Die Teilchen sind die masselose Photonen.

Am besten denkt man an einen punktförmigen Laserstrahl. Der Weg den der Strahl nimmt ist umkehrbar. Hinter einem undurchsichtigen Gegenstand entsteht bei punktförmiger Lichtquelle ein scharfer Schatten. Man kann damit die geradlinige Ausbreitung von Licht veranschaulichen, die Schattenbildung, die Reflexion und die Brechung. Lichtstrahlen können sich durchsetzen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, weil die Teilchen aus denen Licht besteht, die Photonen, masselos sind. Außerhalb des konkreten Strahls gibt es kein Licht von dieser Quelle.

Licht als teilchenlose Welle

Wenn man sich mit Erscheinungen wir Beugung, Interferenz oder Polarisation auseinander setzt, dann modelliert man das Licht als Welle.

Am besten denkt man an die Wellen in einem Becken, in das man einen kleinen Stein geworfen hat. Das Licht ist dabei eine Transversalwelle, die sich mit anderen Wellen überlagern kann. Elementarwellen überlagern sich dabei und ergeben je nach Phasenlage eine Verstärkung oder Auslöschung.

Tatsächlich ist Licht eine elektromagnetische Welle, die in der Lehre von der Elektrodynamik ihre Beschreibung in Form der 4 Maxwell Gleichungen findet. Licht als elektromagnetische Welle besteht aus räumlich und zeitlich periodischen, ungedämpften, gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, die in den Raum abgestrahlt werden. Das Licht als elektromagnetische Welle wird durch die 4 Maxwell Gleichungen beschrieben. Elektromagnetische Wellen haben in der Quantenelektrodynamik auch Teilchencharakter, ihr Quant ist das Photon.

Man spricht von einer Transversalwelle, weil die Schwingung des elektrischen \(\overrightarrow E\) - und des magnetischen \(\overrightarrow H\) -Feldes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt. Die elektromagnetische Welle braucht kein Medium („Lichtäther") zur Ausbreitung im Raum, sondern sie pflanzt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit und in Materie mit einer entsprechend kleineren Ausbreitungsgeschwindigkeit fort.