Wissensteil:
Bereits in der Antike hat man sich für das Licht interessiert. So ging zum Beispiel Aristoteles davon aus, dass das Licht von der bloßen Anwesenheit von Objekten komme, aber nicht in Bewegung sei. Zu Beginn des 17. Jahrhunderts glaubte Johannes Kepler, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unendlich sei. Später postulierten Newton und Huygens eine endliche Lichtgeschwindigkeit. Den Nachweis dafür erbrachte Ole Römer 1676 mittels der Zahnradmethode.
Heute weiß man, dass sich Licht im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 2,99·108 m/s ausbreitet. Das Teilgebiet Optik, das die Eigenschaften von Licht untersucht, unterteilt sich in geometrische Optik und Wellenoptik. Dabei wird Licht im Modell entweder als Strahl oder als Welle beschrieben.
Geometrische Optik
Die geometrische Optik ist ein Gebiet der Optik, welches Alltagserscheinungen (z. B. Reflexion an Oberflächen oder Brechung an Grenzflächen) beschreibt und die Welleneigenschaften des Lichtes vernachlässigt. Dabei sind die Gegenstände, die diese Phänomene hervorrufen, groß im Vergleich zur Wellenlänge des Lichtes. Deshalb können Beugungs- und Interferenzerscheinungen vernachlässigt werden.
Beleuchtet man einen Spalt mit Licht, so existiert hinter dem Spalt ein divergentes Lichtbündel. Engt man dieses Lichtbündel immer mehr ein, so entsteht ein fast paralleles Lichtbündel. Ist dieses Lichtbündel sehr fein, so bezeichnet man es als Lichtstrahl. Ein solcher Lichtstrahl mit sehr kleinem Durchmesser existiert in Wirklichkeit nicht. Es handelt sich dabei um eine Modellvorstellung.
Für die Ausbreitung von Licht gilt das Fermat’sche Prinzip:
Der Weg, den das Licht nimmt, um von einem Punkt zu einem anderen Punkt zu gelangen, ist stets so, dass die benötigte Zeit dafür minimal wird.
Mit dem Modell der Lichtstrahlen kann man folgende Phänomene beschreiben:
- geradlinige Ausbreitung des Lichtes,
- Entstehung von Schatten hinter lichtundurchlässigen Körpern,
- Brechung und Reflexion an Grenzflächen,
- Verlauf von Lichtstrahlen durch Prismen und Linsen.
Wellenoptik
In der Wellenoptik betrachtet man Licht als elektromagnetische Wellen. Somit ist Licht eine transversale Welle, d. h. sie schwingt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Sie wird durch Wellenlänge, Amplitude und Phase beschrieben.
Christian Huygens hat erkannt, dass man Licht analog zu Wasserwellen beschreiben kann. Jeder Punkt einer Wellenfront (Punkte mit gleicher Phase) lässt sich als Ausgangpunkt einer Elementarwelle betrachten. Wellenfronten lassen sich als Einhüllende dieser Elementarwellen darstellen. Die Elementarwellen haben immer gleiche Frequenz und Wellenlänge wie die Welle, aus der sie entstanden sind oder die sie erzeugen.
Mit dem Modell der Wellen kann man folgende Phänomene beschreiben:
- Interferenz,
- Beugung an sehr kleinen Spalten und Kanten,
- Polarisation.
Auch dieses Modell ist nicht in der Lage alle Phänomene des Lichtes zu beschreiben. Dazu gehört zum Beispiel der von Einstein erklärte Fotoeffekt.