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Optik |
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Unterseite Optik von topsurfen.org Physik fuer die Schule
Copyright © Dr. Michael Willamowski topsurfen.org
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Einführung:
Die Optik gilt als die Lehre vom Licht. Ein Teil der
Optik wird der klassischen Physik zugeordnet. Zur klassischen Physik gehört
z.B. die geometrische Optik oder auch Strahlenoptik genannt. Hier wird
das Licht als ein Bündel von geradlinigen Strahlen betrachtet. Die
Strahlenoptik bietet Grundlagen für die Konstruktion von optischen Geräten und
Instrumenten. Mit diesen wurden große technische Fortschritte errungen. Ein
solches Instrument ist z.B. das Mikroskop. Damit kannst Du kleinste Lebewesen
wie Bakterien beobachten.
Zur Erklärung einer ganzen Reihe von Erscheinungen
in der Optik dient die Wellenoptik. Bei dieser stellt man sich
nämlich das Licht als Welle vor. Tatsächlich weist das Licht Eigenschaften
eines elektromagnetischen Wellenvorgangs auf. Unser sichtbares Licht ist aber
nur ein kleiner Bereich ( ein Sechzigstel ) des gesamten elektromagnetischen
Spektrums. Mit Hilfe der Wellenvorstellung können wir uns solche Phänomene wie
die Interferenz des Lichtes modellmäßig erklären.
Um die Wechselwirkung von Licht und Materie zu
verstehen, müssen wir andererseits die Quantenoptik der modernen Physik
heranziehen. In der Quantenoptik wird das Licht als Strom von Photonen oder
Lichtquanten, den sogenannten Wellenpaketen, angesehen.
Optik heißt auch die " Lehre vom Sehen
". Du kannst nur sehen, wenn Licht vorhanden ist. Im Dunkeln kannst Du
weder die Form noch die Farbe von Gegenständen erkennen. Zum Sehen brauchen wir
Licht, das von unseren Augen aufgenommen wird. Diese aufgenommene Information
wie z.B. Bild gelangt schließlich ins Gehirn.
Optik
Das Auge
ist ein Sinnesorgan. Mit den Augen können Menschen und Tiere sehen.
Sie können optische Reize wahrnehmen. Das Auge lässt sich mit einem Fotoapparat
vergleichen. Dabei entspricht die Linse des Auges einem Objektiv. Die
ringförmige Iris entspricht der Blende und die Netzhaut dem Film. Von links
dringt das Licht nach Passieren von durchsichtiger Hornhaut und Pupille (
Sehloch ) ins Auge ein. Das Licht läuft weiter durch die Linse und wird dabei
gebündelt. Auf der Netzhaut entsteht ein verkleinertes Bild des
Gegenstandes. Die lichtempfindlichen " Chemikalien " wandeln die
Lichtenergie in kleine, elektrische Nervensignale um. Diese werden anschließend
über den Sehnerv zum Gehirn geleitet. Hier nehmen wir die Information nach
einem speziellen Wandelvorgang wahr.
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Die Linse entspricht dem Objektiv einer Kamera |
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Die Iris entspricht der Blende |
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Die Netzhaut entspricht einer Mattscheibe |
Optik
Die erste uns überlieferte Messung der Lichtgeschwindigkeit gelang im Jahre 1675
dem Astronom Olaf Römer. Er beobachtete den Jupiter und seine vier Monde. Die
Monde des Jupiter verfinstern sich mit einer gewissen Verzögerung, wenn sie in
den Schatten des Jupiter eintreten. Römer untersuchte über mehrere Jahre die Umlaufzeit
eines Jupitermondes.
Dabei
stellte er einen Zeitunterschied fest, je nachdem ob unsere Erde sich von dem
Jupitermond wegbewegt oder sich auf ihn zubewegt. Als Grund dafür erkannte er
die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit gehört zu
den wichtigsten physikalischen Konstanten. Sie hat das Formelzeichen " c
". Die Lichtgeschwindigkeit stellt die höchste mögliche Geschwindigkeit
dar. Sie ist im Vakuum größer als in Materie.
Optik
Wir unterscheiden
punktförmige Lichtquellen und ausgedehnte
Lichtquellen. Zu den angenähert punktförmigen Lichtquellen gehören das Licht
eines Leuchtturms, das Licht einer Glühlampe oder das Kerzenlicht. Dem
genannten Licht ist gemeinsam, dass es von einer relativ kleinen Stelle
ausgeht. Im Gegensatz dazu steht eine weit ausgedehnte Lichtquelle wie z.B.
eine Leuchtstoffröhre.
Weil es zweckmäßiger ist, idealisiert man in der geometrischen Optik Licht als
Lichtstrahl, obwohl es sich eigentlich um ein Lichtbündel handelt.
Optik
Beim Auftreffen von Licht auf ein undurchsichtiges Hindernis können wir drei
Erscheinungen beobachten: Reflexion, Streuung und
Absorption.
Reflexion:
Ein Spiegel hat eine glatte, helle Oberfläche. Außerdem ist er glatt und nicht
gewölbt. Das auf einen Spiegel auffallende Licht wird gezielt zurückgeworfen.
Hier gilt das Reflexionsgesetz der Optik. Das Licht wird in eine bevorzugte
Richtung reflektiert.
Streuung:
Die Lichtstrahlen treffen auf eine raue, helle Oberfläche. Stelle Dir dafür
z.B. eine zerknitterte Alufolie vor. Auch hier gilt das Reflexionsgesetz. Das Licht
wird aber in alle Richtungen reflektiert. Es wird gestreut oder diffus
zurückgeworfen.
Absorption:
Trifft das Licht auf eine raue, schwarze und undurchsichtige Oberfläche, so
wird es absorbiert. Es wird nur ein sehr geringer Teil des Lichts reflektiert.
So erscheint uns ein aufgerautes, schwarzes Stück Pappe als dunkle Oberfläche.
Ein Körper ist umso dunkler, je mehr Licht er verschluckt bzw. absorbiert.
Optik
Die geometrische Optik beantwortet die Fragen der geradlinigen Lichtausbreitung. Im Mittelpunkt stehen die
Lichtstrahlen. Sie beschreiben die Bahnen der Licht-Energie-Fortpflanzung.
Solche linienartigen Strahlen gibt es in der Natur nicht. Sie sind eher als
winzige Lichtbündel anzusehen. Diese nennen wir Lichtstrahlen. Wir
unterscheiden gemäß Quelle und Zielort der Strahlen drei Fälle:
Divergente ( zerstreuende )
Strahlen gehen von einem Punkt aus. Konvergente ( zusammenlaufende )
Strahlen laufen auf einen gemeinsamen Punkt zu. Strahlen ohne gemeinsamen
Schnittpunkt und ohne gemeinsamen Ausgangspunkt nennt man diffuse
Strahlen.
Optik
Beleuchten wir einen Gegenstand mit einer punktförmigen Lichtquelle, so entsteht hinter dem Hindernis ein Kernschatten. Es kann kein Licht von einer Lampe hinter einem lichtundurchlässigen Körper in diesen Raum gelangen.
Im zweiten Versuch wird ein Gegenstand mit zwei
Lampen beleuchtet. Es entstehen zwei unterschiedliche Schatten an der Wand. Der
besonders dunkle Schatten, der von keiner Lampe Licht erhält, ist der Kernschatten.
Schattenbereiche, die noch von einer Lampe beleuchtet werden, sind die Halbschatten.
Optik
Für die Reflexion
an einem glatten, ebenen Spiegel finden wir die folgenden Zusammenhänge: Wenn
ein schmales Lichtbündel ( von links ) auf eine Spiegeloberfläche trifft, wird
es reflektiert. Wir messen den Winkel " α ", der zwischen dem
einfallenden Lichtstrahl und dem Einfallslot liegt. Den Winkel nennen wir
Einfallswinkel. In der Abbildung erkennst Du weiterhin den Winkel " β
", der Reflexionswinkel genannt wird.
Der Einfallswinkel " α " und der
Reflexionswinkel " β " sind bei dieser Spiegelreflexion gleich
groß. Außerdem liegen das Einfallslot und die beiden Lichtstrahlen in einer
Ebene.
Optik
Ein Lichtstrahl trifft schräg auf die Grenzflaeche zweier Medien. Wir nennen sie
Medium A und Medium B. Dabei könnte es sich um Luft und Wasser handeln. Ein
Teil des Lichtstrahls wird an der Grenzfläche reflektiert, der andere Teil
tritt in das Medium B hinein. Dieser erfährt eine Richtungsänderung, die wir
als Brechung bezeichnen. Die Senkrechte auf der Grenzfläche im
Einfallspunkt des Lichtstrahls heißt Einfallslot. Der Winkel zwischen dem
einfallenden Strahl und dem Einfallslot wird Einfallswinkel α genannt. Der
Winkel zwischen gebrochenem Strahl und Einfallslot heißt Brechungswinkel
β. Einfallender Strahl, Einfallslot und gebrochener Strahl liegen in einer
Ebene. Vielleicht hast Du Dir so etwas schon gedacht.
Statt Medium A könnten wir auch Luft schreiben und
Medium B als Wasser bezeichnen. Das haben wir oben schon angedeutet. Brechung erfolgt
aber nicht nur beim Übergang von Luft in Wasser. Brechung erfolgt immer dann,
wenn die zwei Medien unterschiedliche optische Dichten aufweisen.
Optik
An der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten wie Glas und Luft kann
eine totale Reflexion des Lichts eintreten. Bei einem bestimmten Einfallswinkel
" α ", der Grenzwinkel der Totalreflexion genannt wird, ergibt
sich ein Brechungswinkel von 90 Grad. An dieser Stelle tritt gerade keine
Brechung mehr auf. Der Lichtstrahl läuft längs der Grenzfläche beider Medien.
Wird nun der Einfallswinkel größer als dieser Grenzwinkel, so kann der
Lichtstrahl nicht mehr aus dem optisch dichteren Medium heraustreten. Er wird
eben vollständig oder " total " reflektiert.
Erst nach der Erfindung der Glasfaser war eine technische Ausnutzung des
beschriebenen Phänomens möglich. Licht in einem langen, dünnen Glasstab kann
die Längsseiten nicht verlassen. Der Lichtstrahl folgt dabei sogar der Krümmung
des Lichtleiters. Auf Grund der Totalreflexion kann das Licht erst wieder am
anderen Ende den Lichtleiter verlassen.
Optik
Ein optisches Prisma ist ein lichtbrechender Körper.
Sein Querschnitt hat die Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Es ähnelt also
einem Hausdach. Ein Lichtstrahl, der von links auf eine Seitenfläche des
Prismas fällt, wird beim Eintritt in das Prisma und beim Austritt aus dem
Prisma gebrochen. Die zweimalige Brechung erfolgt nach dem Brechungsgesetz. Fällt
weißes Licht auf die Seite eines Prismas und durchdringt das Licht das Prisma,
so wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Diese Aufspaltung wird
Dispersion genannt.
Das entstehende Band hat die Farben Rot,
Orange, Gelb, Grün, Blau und schließlich Violett. Das Phänomen der Aufspaltung
von weißem Licht ist Dir sicher vom Regenbogen her bekannt.
Optik
Eine sehr einfache Form eines Fotoapparats ist eine Lochkamera,
auch Lochblende genannt. Das ist ein lichtdichter, innen geschwärzter Kasten
oder Karton. Durch eine kleine Öffnung in seiner Vorderwand dringen
Lichtstrahlen ein. Jeder Punkt eines Gegenstandes links vor der Öffnung erzeugt
einen hellen Lichtpunkt auf dem Schirm innen an der Rückwand. Nach den Gesetzen
der Strahlenoptik breitet sich das Licht geradlinig aus. Das Licht lässt auf
der gegenüberliegenden Wand ein reelles Bild entstehen.
Das Bild ist scharf, sehr
lichtschwach, steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Bei diesem
"optischen System" wurden keine Linsen eingesetzt. Es ist deshalb
frei von Abbildungsfehlern.
Optik
Von der glatten Oberflaeche eines ebenen Spiegels
werden die auftreffenden Lichtbündel eines Gegenstandes zurückgeworfen. Das
geschieht nach den Reflexionsgesetzen. Alle von einem Punkt " P " des
Gegenstandes vor dem Spiegel ausgehenden Strahlen verlaufen so, als kämen sie
von einem Punkt " P' " hinter dem Spiegel her!
Dabei
liegen die Punkte P und P' bezüglich der Spiegelfläche symmetrisch zueinander.
Das Bild liegt scheinbar ebenso weit hinter dem Spiegel, wie der Gegenstand
sich davor befindet. Gegenstand und Bild sind gleich groß. Beim Spiegelbild
sind allerdings vorn und hinten vertauscht, so dass Du es seitenverkehrt
siehst. Es ist ein scheinbares ( virtuelles ) Bild entstanden. Dieses Bild kann
mit einem Fotoapparat aufgenommen werden, aber nicht direkt auf einen
Bildschirm projiziert werden.
Optik
Außer den genannten ebenen Spiegeln kennst Du wahrscheinlich auch Hohlspiegel und Wölbspiegel. Die auf ihrer
Innenseite verspiegelten Hohlspiegel nennt man auch erhabene Spiegel oder
Konkavspiegel. Die nach außen gekrümmten Flächen werden auch Konvexspiegel
genannt.
Für
beide Arten gelten natürlich die Reflexionsgesetze.
Bei Hohlspiegeln wird das Licht nach der Reflexion verengt. Bei Wölbspiegeln
werden die Lichtstrahlen nach der Reflexion aufgefächert. Das Licht läuft
auseinander.
Bei Hohlspiegeln hängt die Beschaffenheit eines reflektierten Bildes von der
Lage des Gegenstandes ab. Das Spiegelbild eines Gegenstandes, der außerhalb des
Krümmungsmittelpunktes liegt, ist wirklich ( reell ) und umgekehrt. Liegt der
Gegenstand aber zwischen Brennpunkt und dem optischen Mittelpunkt, so ist sein
Spiegelbild virtuell ( reflektierte Strahlen scheinen von dem Bild auszugehen )
und aufrecht.
Woelbspiegel liefern nur virtuelle und
aufrechte Bilder, die bei Annäherung an den Spiegel größer werden.
Mit einem blank polierten Löffel kannst Du solche verzerrten Spiegelbilder
betrachten. In der Innenseite siehst Du ein verkleinertes Zerrbild auf dem Kopf
stehend.
Drehst Du den Löffel
um, so erscheint auf der Außenseite ein Bild, das aufrecht steht.
Diese Aussagen über die Spiegelerscheinungen und die Abbildungen gelten
annähernd und unter vereinfachten Annahmen.
Optik
Eine planparallele Platte wird von
zwei Ebenen begrenzt und sie ist durchsichtig. Sie kann aus Glas oder sie kann
aus Kunststoff bestehen. Ein senkrecht ( Winkel von 90 Grad ) auf die Platte treffender
Lichtstrahl geht ungebrochen durch sie hindurch.
Ein schräg
von unten auftreffender Lichtstrahl wird beim Eintritt und beim Austritt aus der
planparallelen Platte gebrochen. An der ersten Grenzfläche ( Luft/Glas ) wird er
zum Lot hin gebrochen. An der zweiten Grenzfläche ( Glas/Luft ) wird er vom Lot
weg gebrochen. Die auftretenden Richtungsänderungen sind entgegengesetzt. Sie
heben sich gegenseitig auf. Eine planparallele Platte bewirkt für einen
Lichtstrahl bei zweimaliger Brechung nur eine Parallelverschiebung, aber keine
Richtungsänderung.
Optik
Linsen sind wichtige Bestandteile von Brillen und
Ferngläsern. Linsen sind durchsichtig. Von ihnen können in optischen Geräten
ganz bestimmte Aufgaben erfüllt werden. Feuchter Beschlag und Kratzer hindern
das Licht auf seinem Weg durch die Linse. Jede Sammellinse hat zwei
Begrenzungsflächen, die gleiche oder unterschiedliche Form haben können. Durch
einen entsprechenden Schliff sind drei verschiedene Linsenformen möglich, die
Du auf der Abbildung sehen kannst. Sie werden als " bikonvex " ,
" plankonvex " , und " konkavkonvex " bezeichnet.
Sammellinsen
sind also einseitig oder beidseitig von gewölbten Flächen begrenzt. Sie sind in
der Mitte dicker als am Rand. Die Seitenflächen können mathematisch genau
erfasst werden. Damit lässt sich die Ausbreitung der Lichtstrahlen exakt
vorherbestimmen. Bei Sammellinsen werden eintreffende Lichtstrahlen in einem
Punkt auf der anderen Seite der Linse vereinigt. Dieser Punkt heißt
Brennpunkt F der Linse. Da die Richtung von Lichtstrahlen umkehrbar ist,
besitzt die Linse auf jeder Seite einen Brennpunkt, F₁ und F₂ genannt.
Eine Leselupe ist z.B. ein einfaches optisches Gerät. Die Lupe besteht aus einer bikonvexen Sammellinse. Wenn Sonnenlicht durch eine Lupe hindurchtritt und auf ein dünnes Stück Papier fällt, entsteht dort ein Lichtfleck. Er ist je nach Abstand zwischen Lupe und Papier unterschiedlich groß. In einer bestimmten Entfernung ist er ganz klein. Das Licht wird an dieser Stelle, dem Brennpunkt F, gesammelt. Die Temperatur ist dort hoch. Das Papier kann entzündet werden. Es fängt dann zu brennen an.
Optik
Zerstreuungslinsen bestehen aus dem gleichen Material wie Sammellinsen. Zerstreuungslinsen unterscheiden sich aber von Sammellinsen in ihrer Form. Die drei unterschiedlichen Eigenschaften von Zerstreuungslinsen werden als " bikonkav ", " plankonkav " und " konvexkonkav " bezeichnet.
Der
Körper von Zerstreuungslinsen ist in der Mitte dünner als am Rand. Für den
Strahlenverlauf an Zerstreuungslinsen gelten die gleichen Gesetze wie bei
Sammellinsen. Parallel zur optischen Achse der Linse einfallendes Licht ist
nach der Brechung allerdings divergent. Das Licht läuft nach Passieren der
Linse weiter nach außen. Aus einem parallel einlaufenden Strahl wird ein
Brennstrahl. Der virtuelle Brennstrahl liegt vor der Linse auf der quellennahen
Seite und er kann auch als " Zerstreuungspunkt " bezeichnet
werden.
Beim Durchgang durch Linsen wird Licht an beiden Grenzflächen gebrochen. Bei dünnen Linsen kann man eine zweimalige Brechung bei Zerstreuungslinsen wie bei Sammellinsen vernachlässigen, was in der Abbildung zu sehen ist.
In einem Linsensystem wie dem Mikroskop oder dem Projektor sorgen Zerstreuungslinsen zusammen mit Sammellinsen für optimale Ergebnisse.
Optik
Es gibt zwei Arten von optischen Linsen: Sammellinsen und Zerstreuungslinsen. Linsen sind durchsichtige Körper aus meist dünnem Glas, Quarz oder Kunststoff. Sie werden durch gekrümmte Flächen begrenzt. Linsen dienen dazu, die Richtung von Lichtstrahlen durch Brechung zu beeinflussen. Eine Sammellinse sammelt parallel auffallende Strahlen und vereinigt sie in einem Punkt, dem Brennpunkt, hinter der Linse. Je nach Krümmung besitzen Linsen unterschiedliche Brennweiten ( Brennweite: Das ist Abstand zwischen Brennpunkt F und Linsenmitte ). Zerstreuungslinsen zerstreuen parallel zur optischen Achse auffallende Strahlen, so dass sie von einem Punkt vor der Linse zu kommen scheinen.
Der
Linsenkörper aller Sammellinsen ist an den Seiten dünner als in der Mitte. Die
Gestaltung von Bildern von einem Gegenstand mit Sammellinsen zeigt die
Abbildung. Bei dünnen Linsen können wir den Mittelpunktstrahl geradlinig durch
die Linsenmitte zeichnen, weil die auftretende Verschiebung gering bleibt.
Steht ein Gegenstand außerhalb der Brennweite wie rechts oben in der Abbildung, so entsteht ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Dieses Bild ist verkleinert und reell. Das Bild lässt sich auf einem Schirm abbilden.
Bewegt man den Gegenstand zwischen Brennpunkt und Linse wie rechts unten in der Abbildung, so erhält man ein Bild, das man zwar sehen aber nicht auf einem Schirm auffangen kann. Dieses Bild ist virtuell. Das Bild befindet sich auf der gleichen Seite wie der Gegenstand, also auf der gegenstandsnahen Seite. Es erscheint aufrecht und vergrößert.
Diese Anordnung findest Du bei einer Lupe, einem Vergrößerungsglas.
Optik
Das Mikroskop ermöglicht eine sehr starke Vergrößerung. Es vergrößert einen Gegenstand in zwei Schritten. Die Vergrößerungsarbeit teilt sich zwischen einem Objektiv und einem Okular auf. Das Objektiv wird an das Objekt herangeführt. Das Okular ist dem Auge näher. Es wird auch "Augenlinse" genannt. Das Okular soll hier zuerst betrachtet werden.
Ein Okular ist im unteren Teil der Abbildung zu sehen. Dabei handelt es sich um eine Sammellinse bzw. Lupe von kurzer Brennweite. Die Lupe wird so weit an den Gegenstand herangeführt, dass dieser innerhalb der Brennweite in der Nähe des Brennpunkts liegt. Das Bild des Gegenstandes erscheint durch die Lupe unter einem größeren Winkel, dem Sehwinkel, als mit dem bloßen Auge. Mit Hilfe der Lupe erhälst Du so ein vergrößertes, aufrechtes und virtuelles Bild.
Die gesamte Anordnung für das Mikroskop ist im oberen Teil der Abbildung dargestellt. Im Mikroskop wird zuerst mit dem Objektiv ein Zwischenbild des Gegenstandes erzeugt. Der Gegenstand soll sich dabei zwischen einfacher und doppelter Brennweite der Sammellinse befinden. Dann erzeugt das Objektiv ein stark vergrößertes reelles Zwischenbild. Dieses reelle Bild wird durch eine Lupe, wie eben beschrieben, betrachtet. Dadurch tritt eine nochmalige Vergrößerung ein. Die Brennweiten der eingesetzten Linsen lassen sich in geeigneter Weise ändern, um das beste Ergebnis zu erhalten.
Mikroskope bestehen also hauptsächlich aus zwei Sammellinsen ( oder Linsensystemen ) und zusätzlich einer Beleuchtungseinrichtung. Die letztere sorgt für eine optimale Ausleuchtung des Gegenstandes.
Optik
Durch geeignete Linsensysteme bildet ein Fotoapparat Gegenstände verkleinert auf einem Film ab. Die Linsen von Bildwerfern, so genannten Diaprojektoren, dagegen erzeugen ein stark vergrößertes Bild. Kleine Bilder werden hier auf einen Schirm oder eine Leinwand projiziert, so dass sie gleichzeitig von mehreren Personen gesehen werden können.
Beim Diaprojektor wird mit
Hilfe einer Sammellinse ein stark vergrößertes, reelles Bild erzeugt. Durch die
Sammellinse, die auch Kondensor genannt wird, ist eine gleichmäßig gute
Ausleuchtung des Dias möglich. Der Kondensor bündelt das Licht. Diese Linse
bricht das Licht der Lampe so, dass die gesamte Strahlung, welche durch das Dia
läuft, auch vom Objektiv erfasst wird. Bei richtigem Strahlengang entsteht ein
helles Bild auf der Projektionsleinwand.
Beim Diaprojektor wird der Gegenstand im Durchlicht beleuchtet. Wird ein Objekt jedoch mit Auflicht bestrahlt, so heißt das entsprechende Gerät Episkop. Projektoren, die beide Möglichkeiten bereithalten, heißen Episdiaskope.
Optik
Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, die sich mit Röntgenstrahlen oder Radiowellen vergleichen lassen. Sie benötigen zu ihrer Ausbreitung keinen Träger. Lichtwellen breiten sich also auch im luftleeren Raum aus. Sie entstehen durch die Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c fort. Lichtwellen besitzen eine Frequenz ν ( gesprochen: Ny ) und eine Wellenlänge λ. Es gilt:
c = ν mal λ
Je kürzer die Wellenlänge λ ist, desto höher ist die Frequenz ν und umgekehrt. In der vorliegenden eindimensionalen Darstellung dieser Zusammenhänge ist die Wellenlänge der Abstand, mit dem zwei Wellenberge aufeinander folgen. Entsprechendes gilt auch für den Abstand, auf den zwei Wellentäler nacheinander folgen.
Als Schwingungszahl
oder Frequenz ν bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen, die in
einer Sekunde ausgeführt werden. Man misst sie in Hertz ( Hz ). Hertz gehört zu
den abgeleiteten Einheiten im Internationalen Einheitensystem. Den Abstand
zwischen der Ruhelage des schwingenden Körpers und dem von dieser Ruhelage am
weitesten entfernten Punkt, der in einer Schwingung erreicht werden kann, nennt
man größte Schwingungsweite. Zu dieser größten Auslenkung wird auch Amplitude
gesagt.
Optik
Wellen können als Schwingungen um eine Ruhelage betrachtet
werden. Überlagert man nun Wellenzüge gleicher Wellenlänge λ, so dass die
entsprechenden Wellenberge und Wellentäler übereinander liegen, so addieren
sich die Auslenkungen. Die Welle wird größer. Legt man aber die
Schwingungsberge einer Welle genau auf die Schwingungstäler einer anderen, so
ergibt die Summe der beiden einen kleineren Wert.
Sind Berge und Täler beider Wellen gleich hoch, dann löschen sich die Wellen sogar
gegenseitig aus. Aus solch einer Überlagerung von Licht kann also Dunkelheit
entstehen. Diese Art der Überlagerung gleichartiger Wellen heißt Interferenz.
Bei dem Zusammenwirken der Amplituden der Einzelwellen kann es zur Verstärkung,
Schwächung oder sogar zur Auslöschung der resultierenden Welle kommen.
Die Farben von dünnen Ölschichten auf Wasser lassen sich durch Interferenz
erklären. Hier werden aus den verschiedenen Wellenlängen des weißen Lichts
einzelne Wellenlängen ausgelöscht. Die übrig gebliebenen Wellenlängen des
weißen Lichts werden Dir dann als Farbe erkennbar.
Optik
Bei Schallwellen und Wasserwellen können sich Wellenzüge
überlagern, wenn sie an einem bestimmten Raumpunkt eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Für diese Art
von Wellen wird der Fachausdruck " kohärente Welle " benutzt. Je
nachdem, wie die verschiedenen Wellen aufeinander treffen, erfolgt eine
Verstärkung oder eine Schwächung der resultierenden Welle. Trifft ein
Wellenberg auf einen Wellenberg, so tritt eine Verstärkung der Welle ein. Wenn
ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, so kann die Welle ausgelöscht werden.
Diese physikalische Erscheinung, dass sich kohärente Wellen überlagern, wird
als Interferenz bezeichnet.
Auch bei Lichtwellen tritt
infolge der Überlagerung von Wellen Interferenz auf. Das Licht ist hier als
elektromagnetische Welle zu verstehen. Es kann zu einer Verstärkung, Schwächung
oder Auslöschung des Lichts kommen. Das hängt ganz von der Phasenverschiebung
oder dem Gangunterschied der Wellen ab. So tritt eine Verstärkung ein, wenn der
Gangunterschied ein geradzahliges Vielfaches von " ½ λ " ist.
Bei einem ungeradzahligen Vielfachen von " ½ λ " für die Wellenzüge,
tritt Schwächung auf.
Trifft eine ebene Lichtwelle von links auf die Oberfläche einer dünnen
durchsichtigen Glasplatte wie in der Abbildung, so wird an der oberen
Grenzfläche ein Teil der Welle reflektiert. Ein anderer Teil dringt in das Glas
ein. Beim Verlassen der Glasplatte wird auch dieser Teil reflektiert. Auch er
tritt an der oberen Grenzfläche der Glasplatte aus. Durch diese Aufspaltung der
Wellenzüge überlagern sich vor der ersten Grenzebene die beiden kohärenten
Wellen. Auf diese Art tritt bei einer Reflexion der Wellenzüge Interferenz
auf.
Optik
Eine Plankonvexlinse liegt mit ihrer gekrümmten Seite auf einer planparallelen Glasplatte. Die Linse mit großem
Krümmungsradius hat eine große Brennweite. Es ist eine relativ dünne Linse, bei
der die auftreffenden Lichtstrahlen weniger stark gebeugt werden. Zwischen der
Linse und der Platte erstreckt sich ein keilförmiger Luftspalt, der nach außen
hin in seiner Dicke zunimmt.
Die Punkte gleicher Luftschichtdicke liegen auf Kreisen um den Berührungspunkt
herum. Bei Beleuchtung mit Licht von nur einer Wellenlänge entstehen an Orten
der Auslöschung durch Interferenz dunkle Ringe -- und an den Orten der
Verstärkung helle Ringe. Es überlagern sich die an der Grenzschicht
Glas-Luft reflektierten Wellen und die an der Glasplatte reflektierten Wellen.
Dieses bemerkenswerte Ergebnis kann von oben beobachtet werden.
Im Licht von nur einer Wellenlänge erscheinen konzentrische, hell bis dunkle
Kreise. Weißes Licht führt zu farbigen Newtonschen Ringen. Isaac Newton
( 1643-1727 ) fand als Erster eine tiefer gehende Deutung dieser nach ihm
benannten Ringe.
Optik
Betrachtung zur Entstehung und Ausbreitung von
Licht
Damit Licht entsteht, muss Energie vorhanden sein. Nach der Vorstellung der Physiker werden Elektronen in Atomen und in Molekülen durch Aufnahme von Energie angeregt. Elektronen erreichen so ein " höheres Energieniveau ". Sobald die Elektronen wieder auf einen niedrigeren Energiezustand oder den Grundzustand zurückspringen, wird die vorher aufgenommene Energie als Licht frei. Bei einer solchen Art von " Lichtquelle " entsteht Licht von nur einer Wellenlänge, also einer bestimmten Farbe.
Zwei sich ergänzende -- und sich
paradoxerweise gegenseitig ausschließende -- Modellvorstellungen für die Ausbreitung
des Lichts tragen erfolgreich zur Beschreibung vieler Phänomene bei. Die
Physiker schreiben dem Licht also eine doppelte Natur zu. Die eine
Modellvorstellung versteht das Licht als bewegtes Teilchen, das heißt, als so
genannte Korpuskel.
In der anderen Modellvorstellung wird das Licht als transversale, räumliche Welle angesehen, wie in der unteren Abbildung dargestellt. Diese Vorstellung geht auf den englischen Physiker James Clerk Maxwell ( 1831-1879 ) zurück.
Die Ausbreitung des Lichts konnte von Maxwell mit Hilfe von mathematischen Gleichungen in Form einer elektromagnetischen Wellenbewegung zufriedenstellend beschrieben werden. Nach dieser elektromagnetischen Lichttheorie findet eine zeitlich und räumlich periodische Änderung der elektrischen Feldstärke E und der magnetischen Feldstärke H statt. Die Vektoren der Feldstärken stehen senkrecht zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts und bilden auch miteinander einen rechten Winkel.
Wie alle Wellen besitzen auch elektromagnetische Wellen eine Frequenz ν und eine Wellenlänge λ.
Optik
Reine Spektralfarben werden durch das Licht einer einzigen Wellenlänge erzeugt. Mischfarben setzen sich aus mehreren Spektralfarben zusammen. Ingenieure und Maler wissen, die Erzeugung von neuen Farbtönen kann durch additive Farbmischung erfolgen.
Eine Farbaddition liegt vor, wenn
die neue Farbe durch das Zusammenwirken zweier oder mehrerer so genannter
Primärfarben erfolgt. Additive Farbmischung ist eine Überlagerung
unterschiedlicher Farben. Für uns ergibt sich eine Farbwahrnehmung aus der
Summe der Einzelfarben. In der (vereinfachten) Abbildung wird ein weißer Schirm
mit unterschiedlichen Farben beleuchtet. Rotes, blaues und grünes Licht
überdecken sich auf der Fläche zum Teil. Der Überdeckungsbereich aller drei
Primärfarben erscheint uns weiß. An dieser Stelle sind alle Farbanteile aus dem
Spektrum des weißen Lichts vorhanden.
Dieses Geschehen wird beim Farbfernsehen genutzt. Hier wird jede Farbe durch Mischung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau dargestellt. Aus der Gesamtheit dieser Farben wird der Farbeindruck weiß, also farblos, erzeugt. Aus Rot und Grün allein entsteht für uns der Farbeindruck gelb.
Optik
Die Farben lichtundurchlässiger Körper, die so genannten Körperfarben entstehen durch Farbwegnahme. So verschluckt z.B. die metallic rote Oberfläche eines roten Autos aus dem auffallenden weißen Tageslicht alle Farben außer Rot, Orange und Gelb. Diese Farben werden gestreut und rufen in unserem Auge den Eindruck eines ganz bestimmten Rots hervor.
Wir sprechen von Farbsubtraktion,
wenn zur Herstellung einer neuen Farbe einzelne Spektralbereiche aus einer
Mischfarbe ausgesondert werden. Bei einer Mischung von den Farbstoffen Gelb und
Blau entsteht z.B. die Farbe Grün. Das kommt daher, dass die nicht
selbstleuchtenden Körper die Farbanteile des auffallenden Lichts
unterschiedlich stark aufnehmen, also absorbieren, und nur den Rest
reflektieren. Die betreffenden Körper erscheinen uns dann in der Farbe, die
vorwiegend reflektiert wird. Genau das ist die Körperfarbe. Im letztgenannten
Beispiel ist Grün die einzige Farbe, die nicht absorbiert wird, deshalb wird
sie zurückgeworfen. (Wurde in der vorliegenden Abbildung nicht berücksichtigt).
Werden die Farbstoffe der Primärfarben Rot Gelb und Blau gemischt, so tritt eine vollständige Absorption des weißen Lichts ein. Das Ergebnis einer solchen Überdeckung ist die Farbe Schwarz, wie es in der Abbildung angedeutet wird. Wir sehen also bei der Mischung von den Primärfarben Rot, Gelb und Blau durch Farbwegnahme allein die Farbe Schwarz.
Während bei subtraktiver Farbmischung von Gelb und Blau, wie oben beschrieben, ein tiefes Grün entsteht, kann sich als Ergebnis einer additiven Farbmischung von Gelb und Blau als Ergebnis nahezu Unbunt ergeben.
Rubrik Optik im November 2006 erweitert