Geschichte des Lichts

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Was ist Licht?

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

Teilchentheorie

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist.

"Unter Lichtstrahlen verstehe ich die kleinsten Theilchen des Lichts, und zwar sowohl nach einander in denselben Linien, als gleichzeitig in verschiedenen. Denn es ist klar, dass das Licht sowohl aus succesiven, wie aus gleichzeitigen Theilchen besteht, da man an der nämlichen Stelle das in einem bestimmten Augenblicke ankommende Licht auffangen und gleichzeitig das nachkommende vorbeilassen kann, und ebenso kann man im nämlichen Augenblicke das Licht an einer Stelle auffangen und an einer anderen vorbeilassen. Denn das aufgefangene Licht kann nicht dasselbe sein, wie das vorbeigelassene. Das kleinste Licht oder Lichttheilchen, welches getrennt von dem übrigen Lichte für sich allein aufgefangen werden kann, oder allein etwas thit oder erleidet, was das übrige Licht nicht thut, noch erleidet, - dies nenne ich einen Lichtstrahl."[1]

Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

Wellentheorie

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen. Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

Brechung einer Welle

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

Beugung einer Welle

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

Die Theorien - Versuche

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode. Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des Doppelspaltversuchs belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

Gegenfeldmethode
Aufbau
Aufbau Gegenfeldmethode

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung [math]U_0[/math] an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit [math]W[/math] aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: [math]Epot = e \cdot U_0[/math] Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

Fotoeffekt.png

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:

  • Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
  • Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
  • Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen

[math]\Rightarrow[/math] Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen? Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

Lichttheorie des 20. Jahrhunderts

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

[math]\Rightarrow[/math] Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Literatur/Links

  • Sidney Perkowitz: "Eine kurze Geschichte des Lichts" , Dtv (1998)



Fußnoten

  1. ↑ Isaac Newton aus [Sim] , S.347
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