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Physik · Optik
Licht als Welle: Huygens und Beugung, Interferenz und Doppelspalt mit Rechenbeispiel, Kohärenz, Polarisation, Farben und Dispersion bis zur chromatischen Aberration im Auge.
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Alles, was ein Strahl nicht kann, kommt daher: Beugung, Interferenz, Polarisation, Farbzerlegung.
c = λ · fim Vakuum c ≈ 3 · 10⁸ m/s; im Stoff v = c / n
Beim Übergang in einen Stoff bleibt die Frequenz f gleich, die Geschwindigkeit sinkt auf v = c / n, also wird die Wellenlänge kürzer. Rotes Licht von 700 nm hat in Wasser (n = 1,33) nur etwa 530 nm und bleibt rot, denn die Farbe hängt an der Frequenz.
Licht ist eine Transversalwelle. → Ausführlich in: Harmonische Wellen
Nach dem Huygensschen Prinzip ist jeder Punkt einer Wellenfront Startpunkt einer Elementarwelle, die Einhüllende ergibt die nächste Wellenfront. Mit dem Prinzip erklärst du auch Reflexion und Brechung. → Ausführlich in: Elementarwellen
Trifft Licht auf eine Kante oder einen Spalt, laufen Elementarwellen auch in den geometrischen Schatten: Beugung. Deutlich wird sie, wenn der Spalt etwa so breit ist wie die Wellenlänge oder schmaler, bei Licht (400–700 nm) also nur an sehr feinen Spalten.
| Interferenz | Gangunterschied Δs | Ergebnis |
|---|---|---|
| konstruktiv | k · λ (0, λ, 2λ …) | Berg auf Berg: hell |
| destruktiv | (2k + 1) · λ/2 | Berg auf Tal: dunkel |
Völlig dunkel wird es nur, wenn beide Wellen gleich stark sind.
Ein stabiles Muster gibt es nur mit kohärentem Licht: gleiche Frequenz und eine zeitlich konstante Phasendifferenz. Zwei getrennte Lampen schaffen das nicht, meist nicht einmal zwei Laser.
Kohärent wird es, wenn du einen Strahl teilst, etwa an zwei Spalten. → Ausführlich in: Überlagerung von Wellen
Zwei enge Spalte im Abstand d machen aus einem Strahl zwei kohärente Quellen. Wo der Gangunterschied zum Schirm k · λ beträgt, liegt ein heller Streifen.
d · sin θ = k · λk-tes helles Maximum; kleine Winkel: sin θ ≈ x / L
Erstes Maximum (k = 1) bei λ = 532 nm, d = 0,5 mm, L = 2 m: sin θ = λ / d ≈ 1,06 · 10⁻³, also x = L · sin θ ≈ 2,1 mm neben der Mitte. Umgekehrt gilt d = k · λ · L / x.
Weil Licht transversal schwingt, hat es eine Polarisation: die Ebene, in der das elektrische Feld schwingt. Sonnen- und Lampenlicht ist unpolarisiert, ein Polarisationsfilter lässt nur eine Ebene durch.
Schall ist longitudinal und lässt sich nicht polarisieren. → Ausführlich in: Polarisation
Dein Auge sieht 400 bis 700 nm, darunter liegt UV, darüber Infrarot. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz: Violett hat die höchste, Rot die niedrigste. Licht einer einzigen Frequenz ist eine Spektralfarbe und lässt sich nicht weiter zerlegen. Weißes Licht ist ein Gemisch aller Spektralfarben.
Der Brechungsindex hängt von der Wellenlänge ab: Je kürzer sie ist, desto größer n und desto stärker die Brechung. Diese Dispersion zerlegt weißes Licht. Im Prisma wird Violett stärker abgelenkt als Rot, das Licht fächert zu einem Spektrum auf.
An einer Sammellinse liegt der Brennpunkt für Blau deshalb näher an der Linse als für Rot. Die Farben treffen sich nicht in einem Punkt, das Bild bekommt Farbsäume: chromatische Aberration. Spiegel haben diesen Fehler nicht, denn Reflexion hängt nicht von der Wellenlänge ab.
Auch dein Auge hat ihn, rund 2 dpt zwischen Blau und Rot, und gleicht ihn optisch kaum aus. Abgeschwächt wird er durch das Makulapigment, fehlende Blauzapfen in der Fovea-Mitte und das Gehirn.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeVerfolge das weiße Licht durch das Prisma: Wo wird es zum Lot hin, wo vom Lot weg gebrochen, und warum landet Violett weiter unten als Rot?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
Interaktive Darstellung
Deine AufgabeVerändere λ und Δs, sage voraus, ob an der aktuellen Stelle ein heller oder dunkler Streifen liegt, und prüfe Δs = k·λ bzw. Δs = (2k+1)·λ/2.
