Doppelte Natur des Lichts

Licht hat die Menschheit seit Jahrhunderten fasziniert. Die ältesten Theorien betrachteten Licht als etwas, das vom menschlichen Auge ausgestrahlt wurde. Später wurde klar, dass das Licht von den gesehenen Objekten kommen sollte und dass es in das Auge eindrang und das Sehgefühl erzeugte.

Die Frage, ob Licht aus a bestehtTeilchenstrahl oder es ist eine bestimmte Art von Wellenbewegung, die häufig in der Wissenschaftsgeschichte untersucht wurde. Zwischen den Befürwortern und Angeklagten des Korpuskulars Theorie des Lichts, der einflussreichste war zweifellos Newton. Mit Hilfe der oben genannten Theorie konnte er die Gesetze der Reflexion und der Brechung erklären. Seine Ableitung des Gesetzes der Brechung beruhte jedoch auf der Hypothese, dass Licht sich in Wasser oder in Glas schneller bewegt als in Luft.

Einige Zeit später wurde die Hypothese bewiesenfalsch. Die Hauptbefürworter der Wellentheorie des Lichts waren Christian Huygens und Robert Hooke. Mit ihrer eigenen Theorie der Wellenausbreitung konnte Huygens Reflexion und Brechung erklären, wobei angenommen wurde, dass Licht langsamer in Glas oder in Wasser wandert als in Luft. Newton erkannte die Vorteile der Wellentheorie des Lichts, vor allem, weil er die durch dünne Filme gebildeten Farben erklärte, die er gründlich studiert hatte.

Ungeachtet dessen wies er die Wellentheorie zurückauf die scheinbare geradlinige Ausbreitung von Licht. Zu seiner Zeit war die Beugung des Lichtstrahls, der Objekten ausweichen kann, noch nicht beobachtet.

Newtons korpuskulare Lichttheorie wurde akzeptiertseit mehr als einem Jahrhundert. Nach einiger Zeit, 1801, belebte Thomas Young die Wellentheorie des Lichts wieder. Er war einer der ersten Wissenschaftler, der die Idee der Interferenz als Wellenphänomen im Licht und im Ton vorstellte. Seine Beobachtungen von Interferenzen, die durch Licht erhalten wurden, waren ein klares Zeichen ihrer Wellennatur.

Dennoch war Young's Forschung nicht bekanntdie wissenschaftliche Gemeinschaft seit mehr als zehn Jahren. Der wohl wichtigste Durchbruch in Bezug auf eine allgemeine Akzeptanz der Wellentheorie des Lichts ist dem französischen Physiker Augustin Fresnel (1782-1827) zu verdanken, der gründliche Experimente zur Interferenz und Beugung durchgeführt hat. Er entwickelte auch eine Wellentheorie, die auf soliden mathematischen Grundlagen basiert. Im Jahr 1850 maß Jean Foucault die Lichtgeschwindigkeit im Wasser und stellte fest, dass es langsamer ist als in der Luft.

So zerstörte er schließlich Newtons CorpuscularTheorie des Lichts. Im Jahr 1860 veröffentlichte James Clerk Maxwell seine elektromagnetische mathematische Theorie, die der Existenz elektromagnetischer Wellen vorausging. Diese Wellen verbreiteten sich mit einer berechneten Geschwindigkeit durch Elektrizitäts- und Magnetismusgesetze, deren Wert 3 x 108 m / s entsprach, was dem Wert der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Maxwells Theorie wurde 1887 von Hertz bestätigt, als er mittels einer abgestimmten elektrischen Schaltung Wellen erzeugte und eine andere ähnliche Schaltung, um sie zu erkennen. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts setzten Kirchoff und andere Wissenschaftler die Maxwellschen Gesetze ein, um Interferenz und Beugung von Licht und anderen elektromagnetischen Wellen zu erklären und Huygens 'empirische Methoden des Wellenbaus auf einer soliden mathematischen Grundlage zu unterstützen.

Obwohl die Wellentheorie in der Regel korrekt ist, wannDie Ausbreitung des Lichts (und anderer elektromagnetischer Wellen) wird beschrieben, es versagt, wenn andere Lichteigenschaften erklärt werden sollen, insbesondere die Wechselwirkung von Licht mit Materie. Hertz bestätigte 1887 in einem berühmten Experiment Maxwells Wellentheorie und entdeckte auch den photoelektrischen Effekt. Ein solcher Effekt lässt sich auch anhand eines Modells von Teilchen für Licht erklären, wie Einstein nur wenige Jahre später bewies. Auf diese Weise wurde ein neues korpuskulares Lichtmodell eingeführt.

Die Lichtteilchen sind als Photonen bekannt, und die Energie E eines Photons hängt mit der Frequenz f der Lichtwelle zusammen, die mit Einsteins berühmtem Verhältnis zusammenhängt E = h · f (h = Plancksche Konstante).

Ein vollständiges Verständnis der dualen Natur des Lichtswurde nicht vor den 20er Jahren im 20. Jahrhundert erreicht. Experimente der damaligen Wissenschaftler (Davisson, Germer, Thompson und andere) zeigten, dass Elektronen (und andere "Teilchen") auch dualen Charakter hatten und neben ihren bekannten Teilchen-Eigenschaften auch Interferenz- und Beugungseigenschaften aufwiesen.

In Kürze die moderne Theorie der Quantenmechanikder Lichtstrahlung akzeptiert die Tatsache, dass Licht eine doppelte Natur zu haben scheint. Einerseits werden Lichtausbreitungsphänomene in der Maxwellschen elektromagnetischen Theorie (elektromagnetische Wellengrundnatur) besser erklärt. Andererseits ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bei den Absorptions- und Emissionsprozessen ein photoelektrisches Phänomen (korpuskulare Natur).