Das Licht - www.parallax.at

Was dem Astronom noch übrigbleibt...

icht ist etwas Seltsames. Es hat nicht einen, sondern zwei Charaktere. Manchmal verhält es sich wie ein Teilchen oder 'Korpuskel', wie es Isaac Newton nannte. Später entdeckte man ein eigenartiges Verhalten, das mit Newtons Korpuskeltheorie nicht zu erklären war. Vor allem Thomas Young und Joseph von Fraunhofer waren bedeutende Vertreter der Wellentheorie des Lichts, aufbauend auf den Überlegungen von Christiaan Huygens, der diese Ansicht bereits um 1650 vertrat. Einen der bedeutendsten Beiträge zur Wellentheorie des Lichts (also: dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet bzw. verhält) lieferte vermutlich der Franzose Augustin Fresnel. Er führte zahlreiche Experimente zur Überlagerung (Interferenz) und Beugung des Lichts durch und erarbeitete eine mathematische Formulierung.
1850 zeigte Fresnels Landsmann Jean Foucault in einem Experiment, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser kleiner als in Luft ist. Newton war bei seiner Herleitung des Reflexionsgesetzes davon ausgegangen, dass sich das Licht in Wasser oder z.B. in Glas schneller ausbreitet als in Luft, was sich jetzt als falsch erwies. Damit war die Teilchentheorie Newtons widerlegt. Ich habe das hier deswegen so betont, weil sich Newton, einer der größten Gelehrten überhaupt, in der Frage der Natur des Lichts, mit der sich schon die Griechen (Aristoteles, Demokrit) befassten, eben auch mal geirrt hatte. Und das kam ja nicht allzu oft vor. Wie man heute weiß, hat Licht aber sehrwohl auch Teilchencharakter.

James Clerk Maxwell gab 1860 eine Theorie des Elektromagnetismus heraus, er postulierte die Existenz von 'Elektromagnetischen Wellen', die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten. Heinrich Hertz bestätigte diese Theorie 1887 experimentell. Das Licht ist nur eine Erscheinungsform dieser elektromagnetischen Wellen. Die berühmten Maxwellschen Gleichungen wurden benutzt, um Effekte wie die Beugung oder Interferenz von Licht zu beschreiben.

Die Wellentheorie beschreibt nun das Ausbreitungsverhalten des Lichts und anderer elektromagnetischer Wellen korrekt, sie kann aber die Wechselwirkung von Licht mit Materie nicht erklären, also wenn Licht z.B. auf ein Metall trifft, wie das beim fotoelektrischen Effekt der Fall ist. Dieser Effekt - von Heinrich Hertz entdeckt, von Philipp E. A. Lenard (1862-1947) umfangreich untersucht, und von Albert Einstein 1905 erstmals richtig gedeutet - lässt sich wiederum nur unter der Annahme des Teilchencharakters des Lichts erklären. Sofern das Licht eine Brust hätte, wohnten zwei Seelen darin, hätte wohl Herr Faust gemeint ;-).

Der fotoelektrische Effekt war nur einer der Phänomene, die zu einer 'neuen' Physik führten. Bis dahin war die Welt der klassischen Mechanik bzw. der Elektrodynamik in Ordnung, sie bestand aus 2 Kategorien:

Materie: Teilchen bzw. Korpuskeln
Strahlung: Wellen

Es wurde also aufgrund immer umfangreicherer Experimente notwendig, dem Licht sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter zuzuordnen, je nachdem, welches Phänomen es zu erklären galt. Lichtteilchen werden als Photonen bezeichnet. Die Energie E eines solchen Photons hängt von der Frequenz (Schwingungen pro Sekunde) der Lichtwelle ab, wie Max Planck erstmals postulierte. Genaueres dazu (und zum Fotoeffekt) gibt es unter Plancksches Gesetz nachzulesen.

Ein umfassenderes Verständnis für die Natur des Lichts entwickelte sich grob gesprochen in etwa ab 1920, als hervorragende Experimentalphysiker wie C.J. Davisson oder G.P. Thompson zeigen konnten, dass z.B. Elektronen ebenfalls eine zweite Natur besitzen, d.h. sowohl Welleneigenschaften wie z.B. Beugung oder Überlagerungen zeigen als auch Teilcheneigenschaften haben.

Mit den Überlegungen von Rutherford, Bohr, Schrödinger u.a. kam man dann zu einem grundlegenden Verständnis von Emission (Aussendung) und Absorption (Aufzehrung) von Licht durch Materie. Man hat erkannt, dass das von den Atomen aufgenommene bzw. abgegebene Licht auf Energieänderungen in den äusseren Elektronenschalen zurückzuführen ist. Diese Energieänderungen sind aber nicht 'beliebig', sondern können nur ganz bestimmte Werte annehmen, daher besitzen die ein- bzw. ausfallenden Photonen ganz diskrete Energiewerte - man sagt auch: Es werden nur diejenigen Lichtwellen aufgenommen/ausgesendet, die ganz bestimmte Werte der Frequenz bzw. der Wellenlänge haben.

Grundsätzlich ist es so, dass ein Atom einen sogenannten Grundzustand hat. Das Elektron (man stelle sich einmal das einzelne Elektron in der Atomhülle des Wasserstoffatoms vor) fliegt um den Kern, der aus positiv geladenen Protonen und (eventuell) neutralen Neutronen besteht. Wenn jetzt ein Lichtquant - ein Photon - auf dieses Atom einfällt, gibt es zahlreiche Möglichkeiten, wie dieses darauf 'reagiert'. Eine anschauliche und wie ich meine recht einfache Übersicht habe ich hier zusammengestellt. (JavaScript erforderlich)

Wellenlängen u. Frequenzen elektromagnetischer Strahlung, Quelle [11]

Hier habe ich jetzt noch - als Klassiker und in jedem vernünftigen Physikbuch zu finden - eine kleine Übersicht verschiedener Strahlungsarten in einem Bild zusammengefasst, links mit einer Skala der Frequenzen und rechts die der Wellenlängen. Man kann deutlich erkennen, dass das sichtbare Licht nur einen winzigen Wellenlängenbereich einnimmt. Unsere Augen können in etwa Wellenlängen von 400-700 [nm] wahrnehmen, in der Literatur schwanken diese Werte etwas. Der schmale blaue Balken zeigt den für die menschlichen Augen sichtbaren Bereich an.
Unterhalb von 400 [nm] - im Sinne kleinerer, also kürzerer Wellenlängen - liegt das Ultraviolettlicht (UV, in der Skizze also weiter oben), noch kürzere Wellenlänge hat die Röntgenstrahlung, und hyperkurze Wellenlängen zeichnen die Gammastrahlen aus.
Laut Plancks Formel für die Energie (siehe nächstes Kapitel)

sind diese Strahlen energiereich, da eine kleine Wellenlänge gleichzeitig eine hohe Frequenz bedeutet (Die Frequenz und die Wellenlänge stehen ja über die Lichtgeschwindigkeit c in der Beziehung

sind also umgekehrt proportional: Kleine Wellenlänge => hohe Frequenz, und umgekehrt).

Oberhalb der Wellenlängen des sichtbaren Lichts (Wellenlänge>700 [nm], in der Skizze also unten) schließen die Infrarotstrahlen an, die man nicht sehen, aber als Wärme (Ofen) spüren kann. Danach kommen die Mikrowellen, die mittlerweile beinahe jeder bei sich zu Hause hat, und anschließend folgen noch die Fernseh- und Radiowellen, lange Radiowellen liegen bereits weit jenseits von 1 [km] Wellenlänge.

Das genaue Studium des Lichts und dessen Verhalten würde den Rahmen dieser kleinen Seite bei weitem sprengen :-), es sei hier nur ein einführender Überblick über das Wesentlichste gegeben. Das Wesen des Lichts zu studieren ist das Um und Auf für den Astronomen, denn schließlich sind die elektromagnetischen Strahlen, die die Sterne und Sternsysteme aussenden, die einzige Information, die wir von ihnen erhalten.

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