Das menschliche Auge gehört zu den wichtigsten Sinnesorganen, die wir Menschen haben, denn es ermöglicht es uns, unsere Umwelt in all ihren Farben und Formen wahrzunehmen.
Um sehen zu können, spielt aber nicht nur das Sehorgan und die Linse eine Rolle, sondern vor allem das Licht und seine Reflexion sind ausschlaggebend. Und Licht spielt auch in der Physik eine große Rolle, weil es hilft, bestimmten Naturphänomenen auf die Schliche zu kommen.
Wahrscheinlich hat jeder schon einmal davon gehört, dass Lichtgeschwindigkeit das schnellste ist, was es gibt. Aber was genau ist eigentlich Licht? Was hat es mit der Interferenz auf sich und wie funktioniert Lichtbrechung?
Antworten auf diese Fragen liefert die Optik als Teilgebiet der Physik, die sich mit der Ausbreitung, Brennweite und Reflexion des Lichtstroms, sowie mit verschiedenen Lichtquellen auseinandersetzt. In diesem Artikel stellen wir euch die Entwicklung der Disziplin sowie wichtige Erkenntnisse vor.
Eine kurze Geschichte der Optik
Die Optik, oder aus dem griechischen übersetzt die „Lehre des Lichts“, ist ein Teilbereich der klassischen Physik, in dem sich Wissenschaftler seit dem Altertum mit den verschiedenen Phänomenen rund um Lichtstrahlen und Wellenlänge beschäftigen.
Die Entwicklung der Optik wurde durch große Entdeckungen wie die Glaslinse und bedeutende wissenschaftliche Erkenntnisse wie die Kohärenz und Interferenz von Wellen vorangebracht. Wir stellen euch die wichtigsten Forscher auf diesem Gebiet vor.
Als einer der ersten Wissenschaftler, die sich mit der Lichtausbreitung beschäftigen, kann Euklid gennant werden. Der griechischer Mathematiker war der erste, der im 3. Jahrhundert v. Chr. von geradliniger Lichtausbreitung sprach und das Reflexionsgesetz formulierte.
Etwa 400 Jahre später beschrieb der griechische Wissenschaftler Claudius Ptolemäus die Brechung des Lichtes mithilfe von Tafeln, die den Zusammenhang von Einfalls- und Brechungswinkel beschreiben sollte.
Der arabische Gelehrte Alhazen lieferte einen weiteren wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Optik, als er die erste Camera Obscura entwickelte, die als Vorgänger des Fotoapparats betrachtet werden kann. Dazu untersuchte er die Reflexion des Lichtstroms an gekrümmten Spiegeln.
Die Grundlagen für die Optik als Wissenschaft legte 1611 der deutsche Astronom Johannes Kepler. Er erkannte, dass die Kegel von Lichtstrahlen nicht vom Sehorgan sondern vom Punkt des betrachteten Objektes in alle Richtungen ausgehen. Diese Erkenntnisse dienten als Erklärung für den Sehvorgang durch die Linse und waren Grundlage für die Erfindung vom Kepler-Fernrohr.
Kepler lieferte also nicht nur wichtige Erkenntnisse der Astrophysik sondern auch der Optik!
Galileo Galilei entwickelte das Fernrohr weiter und baute eine Zerstreuungslinse ein, mit der es ihm gelang, die Mondkrater und Jupitermonde zu entdecken. Er interpretierte außerdem Kometen als optische Effekte im Weltall.
Der erste, der die Beugung und Interferenz von Licht beschrieb, war Francesco Maria Grimaldi. Isaac Newton gelang etwa zur gleichen Zeit dann Bahnbrechendes: er zerlegte das weiße Licht mithilfe eines Prismas systematisch in die Sprektralfarben. Newton stellte fest, dass einzelne Lichtstrahlen unveränderliche Eigenschaften haben und aus Lichtteilchen bestehen.
Der niederländische Mathematiker und Astronom Christiaan Huygens stellte das Huygen'sche Prinzip aus, in dem er die Reflexion, Brechung und Beugung des Lichtstroms mit dem Wellenmodell erklärte.
Weitere wichtige Wissenschaftler auf dem optischen Gebiet waren James Clerk Maxwell, Augustin Jean Fresnel, Heinrich Hertz und Albert Einstein.
Albert Einstein stellte den Zusammenhang zwischen Licht und Teilchen aus der Atomphysik her.
Die Grundlagen der Strahlenoptik
Die Optik als physikalischer Teilbereich lässt sich in drei Teilbereiche einteilen, die sich mit den unterschiedlichen Eigenschaften von Lichtstrom auseinandersetzen: Strahlenoptik, Wellenoptik und Quantenoptik.
Die Strahlenoptik beschäftigt sich mit optischen Erscheinungen und Licht auf Grundlage eines Lichtstrahls. Die Strahlenoptik beschäftigt sich mit der Beschreibung von optischen Erscheinungen, also der Ausbreitung, Reflexion und Brennweite von Licht anhand des Strahlenverlaufs.
Auch verschiedene optische Geräte, wie Glaslinsen und Spiegel, sowie das Verhalten eines Strahls auf solche Geräte stehen im Fokus der Beobachtung. Der Lichtstrahl als Erklärung ist immer dann sinnvoll, wenn keine Wellen auftreten.
Der sichtbare Lichtstrom ist als elektromagnetische Welle nicht nur in der Optik sondern auch in der Elektrizitätslehre der Physik wichtig.
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Die Strahlenoptik untersucht einen Lichtstrahl und sein Verhalten, wenn er auf Spiegel oder Glaslinsen trifft. Dabei spielt der Winkel ebenso eine Rolle für die Beugung der Linse. Zu den spezifischen Bereichen der Strahlenoptik gehören folgende Themen:
- Reflexion am ebenen Spiegel
- Reflexion am sphärischen Spiegel
- Brechung von Licht
- Bildung von Schatten
- Geradlinige Ausbreitung in einem Medium
Um die Strahleneigenschaft des Lichtes zu verstehen, schaut sich dieser Bereich das Verhalten von Lichtquellen an, die ihre Strahlen in alle Richtungen eines Raumes schicken.
Mit der Strahlenoptik lässt sich die Brechung und Reflexion von Licht erklären. An Grenzflächen von unterschiedlich dichten Medien ändern Lichtstrahlen ihre Richtung und Geschwindigkeit, was als Lichtbrechung bezeichnet wird.
„Der Brechungsindex beschreibt das Verhältnis von Lichtgeschwindigkeit im Medium zur Vakkum-Lichtgeschwindigkeit.“
Dabei hängt die Geschwindigkeit des Lichtstrahls von der Dichte des Mediums ab. Daher ist Lichtgeschwindigkeit auch am schnellsten, denn sie breitet sich im Vakuum aus.
Während sich die Mechanik in der Physik mit den Eigenschaften von Körpern auseinandersetzt, befasst sich die Strahlenoptik mit der Ausbreitung von Lichtstrahlen.
Die Grundlagen der Wellenoptik
Um Phänomene wie Interferenz, Beugung und Polarisation des Lichtstroms zu erklären, kann man sich nicht nur auf den Lichtstrahl als geradlinigen Strahl konzentrieren, sondern muss das Wellenmodel des Lichtstroms mit einbeziehen.
Die Lichtwelle, die in einer verschiedenen Wellenlänge vorliegen kann, dient als Erklärung für Phänomene wie die Beugung von Strahlen an schmalen Spalten und kleinen Öffnungen, die sich nicht mit einem geradlinigen Strahl erklären lassen.
Die Wellenoptik modelliert Lichtstrom in Wellen, die von einem Ausgangspunkt in Wellenform strahlen. Die Wellenlänge Lambda beschreibt dabei den Abstand zweier Punkte mit gleicher Phase.
Die Frequenz gibt die Anzahl an vollen Schwingungen pro Zeiteinheit an und wird in Hertz gemessen. Die Wellenlänge und die Frequenz stehen in einem direkten physikalischen Zusammenhang:
„Wellenlänge mal Frequenz ergibt Lichtgeschwindigkeit.“
Mit dem Wellenmodell lässt sich die Frage der Lichtbeugung und Interferenz, also der Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen, die sich gegenseitig durchdringen, ebenso erklären wie die Wahrnehmung von Farben.
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Damit Wellen stabil übereinander gelagert werden, muss eine Kohärenz der Wellen vorliegen, sie müssen also die gleiche Frequenz besitzen. Die Kohärenz ist eine wichtige Einheit von physikalischen Lichtquellen.
Wenn ein Lichtstrom beispielsweise durch die Öffnung einer Blende zu einem schmalen Lichtbündel gebündelt wird, dann tritt auf der anderen Seite der Blende an fast jeder Stelle eine gewisse Menge an Licht auf. Dieses Phänomen kann durch die Strahlenoptik nicht erklärt werden, denn hier wäre der Strahl auch auf der anderen Seite gerade. Stattdessen kommt hier die Lichtbeugung ins Spiel.
Das Huygens´sche Prinzip dient als Erklärung dafür und besagt, dass jeder Punkt, der von einer Welle getroffen wird, als Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle mit gleicher Frequenz dient.
Licht ist eigentlich nur freiwerdende Energie in einem Atom und so beschäftigt sich die Optik ähnlich wie die physikalische Thermodynamik mit Energie.
Die Grundlagen der Quantenoptik
Die Quantenoptik befasst sich mit Lichtquanten oder Photon, also mit Lichtteilchen. Lichtteilchen dienen der Erklärung von Phänomenen wie Abstrahlung oder Absorption des Lichts, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind.
Ein bekanntes und alltagstaugliches Beispiel für ein Thema, das sich mit Quantenoptik erklären lässt, ist schwarze Kleidung: jeder kennt das Phänomen, dass sich schwarze Kleidung im Sommer aufwärmt. Das liegt daran, dass die Lichtteilchen Energie an die Kleidung abgeben und die Farbe schwarz mehr Licht reflektiert.
Die Quantenoptik befasst sich mit dem Zusammenspiel von Lichtstrom und Materie und versteht Licht als Welle sowie als Teilchenschwarm.
„Das Strahlungsfeld besitzt die Energie des Energiequantums multipliziert mit der Frequenz der Strahlung.“
Die Quantenoptik liefert Erklärungen der Physik, die für Quantencomputer oder Laserkühlung wichtig sind.
Photometrie - die Welt der Farben
Dass wir Menschen Farben wahrnehmen können, liegt an speziellen Sinneszellen, die sich auf der Netzhaut des menschlichen Sehorgans befinden. Von diesen Zellen hat ein Mensch etwa 125.000.000, die man auch Zäpfchen nennt.
Die Zäpfchen haben ihre größte Empfindlichkeit im roten, grünen oder blauen Farbbereich bei einer bestimmten Wellenlänge.
Wenn das Sehorgan rote, grüne oder blaue Strahlen wahrnimmt, dann kombiniert das Gehring diese Sinneseindrücke zu einer Gesamtfarbe. Alle drei Farben zusammen empfindet das Gehirn als weißes Licht.
Licht an sich hat keine Farbe, stattdessen erzeugt es Impulse, wenn es auf die Netzhaut des Auges trifft, die dann vom Gehirn in einen Farbeindruck umgewandelt werden. Mithilfe eines Prismas lässt sich weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen, zu denen Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett zählen.
Daneben gibt es aber auch nicht sichtbare Anteile des Lichts, wie infrarotes oder ultraviolettes Licht. Infrarot hat eine größere und Ultraviolett eine kleinere Wellenlänge als sichtbarer Lichtstrom.
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Anwendungsbereiche der Optik
Nicht nur ein Optiker befasst sich in seinem Beruf mit Linsen und der Lichtbrechung. Es gibt zahlreiche Berufe und Gebiete, in denen die optischen Kenntnisse von Bedeutung sind.
Als Teilgebiet der Physik bietet die Optik viele Anwendungsgebiete:
- Weiterentwicklung von optischen Linsen
- Augenoptiker
- Feinmechanische Industrie
- Herstellung von Laser, Lupen oder Mikroskopen
Von Totalreflexion über Kohärenz bis hin zu Ausbreitung von Strahlen durch verschiedene Körper, die Optik befasst sich mit vielen spannenden Alltagsphänomenen.
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