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Einführung in die Wellenoptik

Historischer Überblick - 1

Teilchenmodell kontra Wellenmodell - lasst uns streiten, werte Kollegen!

Die Frage: "Was ist eigentlich Licht?", haben sich im Lauf der Zeit viele Menschen gestellt, obwohl sie, wie wir heute wissen, in dieser Form eigentlich überhaupt nicht durch ein einziges Konzept allein beantwortbar ist.

Dagegen lässt sich die Frage: "Wie kann man sich Licht und seine Ausbreitung vorstellen?", heute zufriedenstellend von der Wissenschaft beantworten - zwar nicht ein-fach, aber immerhin zwei-fach: Je nach Betrachtungsweise (durchgeführtem Experiment) führt entweder die Vorstellung von Licht als elektromagnetische Welle oder als Teilchenstrom von Photonen zum Verständnis der beobachteten Phänomene. Jedoch reicht eines der beiden Modelle allein nicht aus, um alles Beobachtbare zu erklären. So lässt sich z.B. der Photoeffekt nur anhand des Teilchenmodells und des Wellenmodells deuten.

Der Weg zu dieser Antwort war ein sehr uneiniger. Seit dem 17. Jahrhundert stritten sich Anhänger der Korpuskulartheorie (lat.: Korpuskel = Teilchen) mit Verfechtern der Wellentheorie des Lichtes. Jede Gruppe versuchte ihr Modell zu etablieren, und beide Modelle mussten sich erst noch zu ihrer heutigen Form entwickeln.

Abb.1
Die Diskussionsteilnehmer

Robert Hooke (1635-1703) schlug als erster vor, sich Licht als die schnelle Schwingungsbewegung eines Mediums vorzustellen. Dieses spezielle Medium, das bis dahin völlig unbekannt war, wurde später als Äther bezeichnet.

Isaac Newton (1642-1727) fuhr lange Zeit selbst zweigleisig, bis er schließlich im Alter dem Teilchenmodell eine höhere Priorität einräumte - endgültig entschieden hat er sich jedoch zeit seines Lebens nicht. Er versuchte (was verglichen mit der heutigen Sichtweise schon ziemlich fortschrittlich war) beide Modelle zu kombinieren: Lichtteilchen verschiedener Farben sollten im Medium Äther Wellen auslösen, die diese Teilchen wiederum verschieden stark beschleunigen sollten. Da Newton Vorsitzender der wissenschaftlich sehr einflussreichen Royal Society war, hatte seine Meinung ein besonderes Gewicht, und so hatten es Vertreter der Wellentheorie in der Folgezeit sehr schwer, sich Gehör zu verschaffen.

Christian Huygens (1629-1695) vertrat die Wellenhypothese während einer Phase, in der Newton immer stärker dem Teilchenmodell zuneigte. Mit dem nach ihm benannten Huygens`schen Prinzip konnte er die Reflexion und Brechung von Licht im Wellenmodell erklären.

Es sollte aber noch bis zum Jahr 1801 dauern, ehe Thomas Young (1773-1829) die um sein Interferenzprinzip erweiterte Wellentheorie erneut vor der Royal Society vertrat. Heftiger Streit war die Folge und Youngs Schriften wurde "jeglicher Wert" abgesprochen.

Augustin Fresnel (1788-1827) belebte ca. 13 Jahre später wieder das Wellenmodell, indem er Huygens und Youngs (um dessen frühere Arbeiten er zu diesem Zeitpunkt gar nicht wusste) Konzepte vereinigte und so z.B. Beugungsmuster hinter kleinen Öffnungen erklären konnte. Auch die ungestörte geradlinige Ausbreitung von Licht konnte er auf diese Weise erklären.

Diese aber war zuvor Newtons wichtigster Einwand gegen eine Wellentheorie gewesen, da er sich eine geradlinige Lichtausbreitung nicht in Verbindung mit einer sich in alle Richtungen ausbreitenden Welle vorstellen konnte.

Im Jahr 1849 bestimmte Armand Fizeau (1819-1896) als Erster die Lichtgeschwindigkeit zu c = 315,300 km s .

1850 veröffentlichte Jean Foucault (1819-1868) Ergebnisse seiner Messungen, denen zufolge Licht sich im Medium Wasser langsamer als in Luft fortpflanzt. Damit warf er Newtons Erklärung der Lichtbrechung über den Haufen, die auf zusätzlich in dichteren Medien auftretenden Anziehungskräften beruhte, welche die Lichtgeschwindigkeit in diesen erhöhen sollten.

James Maxwell (1831-1879) leitete kurz darauf aus seiner Theorie des Elektromagnetismus (1862) die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Transversalwelle im Äther her. Diese ergab sich aus Konstanten, die in seiner Theorie auftauchten, zu: c 0 = 1 ε 0 μ 0 = 2,99792458 10 8 m s

Diese theoretisch bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im Vakuum stimmte mit hinreichender Genauigkeit mit der u.a. von Fizeau gemessenen Geschwindigkeit des Lichtes überein (obwohl er diese streng genommen nicht in einem Vakuum bestimmt hatte).

Damit war der erste und einer der wichtigsten Hinweise erbracht, dass sich "Licht als elektromagnetische Störung in Form von Transversalwellen, die sich im Äther fortpflanzen", auffassen lässt.

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