Was ist Licht?

Vorwort: Ich bin kein Physiker und obwohl ich selbstverständlich etwas zum Thema Licht recherchiert habe, könnten sich in diesem Artikel fachliche Fehler befinden, auf die ihr mich - sofern vorhanden:D - gerne in den Kommentaren aufmerksam machen könnt.

Einleitung

Die Frage "was ist Licht" mag auf den ersten Blick sehr simpel wirken, doch wenn man genauer hinschaut, merkt man, dass diese Frage uns Menschen schon seit Jahrtausenden beschäftigt und wir die "richtige Antwort" wohl immernoch nicht gefunden haben.

Um solche komplizierten Fragestellungen zu lösen, verwenden Physiker Modelle, die das derzeitig messbare zum Licht erklären können.(das bedeutet, dass Fortschritt in den messungen/experimenten zum licht oft dazu führt, dass man Licht mit dem bis dahin erfolgreichen Modell nicht mehr erklären kann). Insgesamt gab es in der Menschheitsgeschichte wohl grob gesagt 3 bzw. 4 physikalische Lichtmodelle.

Was ist Licht? Antwort der alten Griechen

Die alten Griechen waren wohl mehrheitlich der Überzeugung, Licht sei nichts, dass in unser Auge einfällt, sondern eher etwas, dass strahlenförmig aus unserem Auge herauskommt un die welt um uns herum "abtastet". Dieses Modell, das Licht ein "Strahl" ist hielt sich bis ins Mittelalter hinein.

Gestützt wurde dieses Modell durch Alhazen. Er untersuchte das Auge anatomisch und machte Experimente mit der Camera obscura. (er erkannte das aus unserem auge nichts herauskommt, sondern das Licht in unser Auge einfällt)

 

Er erkannte, dass unser Auge grob genauso wie die camera obscura funktioniert (denk dir einfach unser Auge an Stelle des dunklen Raumes).

Die damaligen "Auffälligkeiten" bzw Phänomene des Lichts, wie zb Reflexionen, spiegel und damalige Erfindungen wie Brillen, Teleskope (kepler konstruierte den strahlengang, snell und descarte brechungsgesetz)und natürlich die "camera obscura" konnten alle mit dem Strahlenmodell erklärt werden. Doch es gab eben auch Dinge, die mit diesem Modell nicht erklärt werden konnten, wie zb die Lichtteilung in einem Prisma.

Newton versuchte dies dann so zu erklären, indem er annahm, Licht würde aus kleinen Teilchen bestehen, die eine Masse besitzen (sozusagen wie kleine kugeln, die von Gegenständen abprallen und umherfliegen. (Teilchentheorie). Aufgrund seiner enormen Berühmtheit als Physiker war diese Theorie sogar kurz erfolgreich.

Dann kam es 1802 zu einem Experiment, dass eindeutig bewies, dass Licht sich wellenartig fortbewegt bzw wellentypische Eigenschaften besitzt. Dieses Experiment war das Doppelspaltexperiment von Thomas Young.

Dieses Experiment finde ich sehr genial. An sich ist es sehr simpel, aber war eben trotzdem ein bahnbrechender Meilenstein für die Suche nach der Antwort auf die Frage "was ist Licht?".

In diesem Bild von mir sieht man das Experiemt grob skizziert.

Rechts sieht man das Interferenzmuster, dass durch eine Überlagerung der Wellen (konstruktive und destruktive Interferenz) entstanden ist. Bei der konstruktiven Interferenz (da wo es am hellsten ist) trifft der "Wellenberg" der Lichtwelle aus Spalt 1 auf den Wellenberg der Lichtwelle aus Spalte 2.

Bei der destruktiven Interferenz (das wo es im Interferenzmuster dunkel ist) trifft Wellenberg auf Wellental (Gangunterschied=1/2).

Lange Rede kurzer Sinn: Am Interferenzmuster sieht man, dass Licht sich wellentypisch verhält, würde es sich nämlich dem Strahlenmodell gemäß verhalten, sähe dieses Experiment anders aus (kann sich wohl jeder vorstellen).

Okay man wusste jetzt also Licht ist eine Welle. Dieses Wellenmodell funktionierte auch eine Zeitlang sehr gut, bis Heinrich Hertz kam. Hertz entdeckte übrigens auch, dass Licht nichts anderes als eine Elektromagnetische Welle ist. Darum liest man heute bei jeder Definition: Licht ist das sichtbare spektrum der elektromagnetischen wellen blabla...

Bedeuten tut das, dass Licht eine Welle wie Radiowellen,...  ist nur einer anderen Frequenz.

Aber zurück zu der Entdeckung von Hertz, die das Wellenmodell des Lichts ins Wanken brachte. Seine Entdeckung beruhte auf dem sogenannten Photoelektrischen Effekt. Hier seht ihr den Experimentaufbau, wie ihn der deutsche Physiker Hallwachs aufgebaut hat.

Das Photoeffekt Experiment (da gibt es auch viele verschiedene aber wir konzentrieren uns jetzt auf das von Hallwachs) finde ich auch genial und es war übrigens auch der Grundstein für Albert Einsteins Nobelpreis, den er ja nicht für seine Relativitätstheorie bekam, sondern für seine Lichtquantenhypothese.

Okay beim Photoeffekt wird eine Metallplatte (die vorher negativ aufgeladen wurde und die mit einem Strommessagerät verbunden ist) mit einer Quecksilberlampe angeleuchtet. Was man nun feststellt ist, dass die negative Ladung der Platte abnimmt. Erklärung: Das Licht schlägt Elektronen aus der Metallplatte heraus. Schiebt man nun die Lampe näher an die Metallplatte heran (sprich man steigert die Lichtintensität), dann geht der Ladungsabbau schneller voran.

Soweit so gut. Dies ließe sich auch noch mit dem Wellenmodell erklären. Was sich nicht mit dem Wellenmodell erklären lässt, ist, dass wenn man nun eine Glasplatte zwischen Lampe und Metallplatte stellt, keine Ladung mehr abgebaut wird, egal wie stark man die Lichtintensität steigert.

Heinrich Hertz, Hallwachs und alle anderen konnten sich das nicht erklären. Es war Albert Einstein, der dieses Experiment erklären konnte, indem er davon ausging, dass Licht ein sich wellentypisch verhaltender Strom aus masselosen Energieteilchen/portionen (Lichtquanten oder Photonen gennant) ist. 

Die Energie dieser Photonen hängt einzig von der Frequenz f des Lichts ab. E=planksches Wirkungsquantum h*Frequenz f

Die Lichtintensität gibt an wieviele Photonen auf die angeleuchtete Metallplatte treffen. Hier ist es nun noch wichtig zu verstehen, dass "ein Photon immer nur auf ein Elektron gehen kann" d.h. immer "1 gegen 1". Die Photonen können sich nicht akkumulieren und zusammen auf 1 armes Elektron gehen:D

Das bedeutet, dass die Photonenenegie (und damit die Frequenz) größer sein muss als die Auslösungsarbeit des Elektrons aus Material x bzw in diesem Fall der Metallplatte. Und bei der von Hallwachs verwendeten Zinkplatte ist es eben so, dass diese zum Auslösen des Elektrons benötigte Energie ziemlich groß ist, weshalb das hochfrequente/kurzwellige UV Licht als einziges in der Lage war die Elektronen aus der Metallplatte zu schlagen. 

Fazit: Licht ist ein sich wellentypisch verhaltender Strom aus Energiepaketen (Photonen), deren Energie einzig von der Frequenz des Lichts abhängt.

Und damit sind wir nun beim aktuellen Modell zur Erklärung des Lichts angelangt. Auch bei diesem Modell gibt es schon einige Problem im Bezug auf die Lichtquanten, die wir nicht verstehen, weshalb es wohl irgendwann wieder ein neues Licht-Modell geben wird. Doch wir können mit diesem Modell schon extrem viel erklären und sind der Antwort auf die Frage mit Sicherheit schon ein ganzes Stück näher gekommen.

Über diese Frage könnten man stundenlang reden, weshalb dieser Artikel hier gewissermaßen nur an der Oberfläche kratzt. Ich hoffe er war trotzdem interessant und konnte zum Nachdenken anregen. (man kann dieses Thema ja auch "philosophisch" betrachten)

Der nächste Artikel dreht sich dann allerdings wieder um kryptos:D Weitere Themen auf diesem Blog sind Geld, Sport (kraftsport), Ernährung, Persönlichkeitsentwicklung etc und evtl. mache ich auch mal etwas zum Thema programmieren (Java script zb), da ich vorhabe das zu lernen.

Euch noch eine erfolgreiche Woche

Quellen

• Vortrag zum Licht, Hauptquelle:

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