Optik - Physik.

Optik - Physik. 1 EINLEITUNG Lupe Erst wenn der Brennpunkt der konvexen Linse, die den Strahlengang des betrachteten Objekts bricht, genau auf der Netzhaut liegt, entsteht ein vergrößertes und scharfes Abbild auf der Retina. © Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Optik, Teilgebiet der Physik, das sich mit der Ausbreitung, dem Verhalten und den Möglichkeiten der Beeinflussung des Lichtes befasst. Dabei kann der Begriff ,,Licht" über das sichtbare Licht hinaus noch andere elektromagnetische Strahlung umfassen, nämlich Strahlung von höherer Frequenz (Ultraviolettstrahlung, Röntgen- und Gammastrahlung) und auch Strahlung von niedrigerer Frequenz (infrarote Strahlung, Mikrowellen und Radiowellen). Die Optik lässt sich nach verschiedenen Modellen des Lichtes, die ihr zu Grunde liegen, in folgende Teilgebiete untergliedern: Strahlenoptik (oder geometrische Optik), Wellenoptik und Quantenoptik. 2 GESAMTÜBERBLICK Die Strahlenoptik geht davon aus, dass sich Licht geradlinig, also in Form von Strahlen, fortpflanzt, solange es nicht reflektiert (gespiegelt) oder ,,gebrochen" wird. Die Konstruktion von ebenen oder vergrößernden Spiegeln (wie etwa in einem Spiegelteleskop) sowie Linsen beruht zunächst auf den Gesetzen der Strahlenoptik (vor allem dem Brechungs- und dem Reflexionsgesetz, siehe unten), die freilich nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich haben. Die Wellenoptik nimmt an, Licht sei eine wellenförmige Schwingung des elektromagnetischen Feldes, die den Maxwell'schen Gleichungen gehorcht. Das Brechungs- und das Reflexionsgesetz der Strahlenoptik ergeben sich dann als Spezialfall für ebene Wellen; darüber hinaus kann die Wellentheorie die Polarisations- und Interferenzphänomene erklären, so etwa die Lichtbeugung und Lichtstreuung. Dennoch ist die Wellentheorie nicht völlig korrekt. Die Quantenoptik wiederum, die nach dem heutigen Stand der Erkenntnis korrekte Theorie des Lichtes, behandelt das Licht nach den Prinzipien der Quantentheorie, die nicht zuletzt anhand des Lichtes entdeckt wurde. Auch hier werden die Maxwell'schen Gleichungen benutzt (und daher rührt die Korrektheit vieler Ergebnisse der Wellenoptik). Aber anders als in der Wellenoptik dienen die Gleichungen von Maxwell in der Quantenoptik als Ausgangsbasis für die Feldoperatoren oder die Quantenmechanik-Wellenfunktion. Die Unterschiede zwischen Quanten- und Wellenoptik treten einerseits bei der Behandlung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie (Lichterzeugung und -absorption, besonders Wärmestrahlung und Laser) zu Tage, andererseits in Fällen mit verschränkter Wellenfunktion, wie bei Mehrteilcheninterferenz und Nichtlokalitätsexperimenten (siehe EPR-Paradoxon). Anwendungen der Optik finden sich natürlich vor allem bei Geräten und Maschinen, die Licht verarbeiten, wie z. B. bei Foto- und Filmkameras, Mikro- und Teleskopen, Projektoren, Lichtsensoren, Lasern und Lichtleitern. Von besonderer Bedeutung sind u. a. auch die Anwendungen der Optik in der Medizin (z. B. Brillen, innere Medizin etc.). 3 STRAHLENOPTIK Kernschatten und Halbschatten Der dunkelste Teil eines Schattens wird Kernschatten oder Umbra genannt; es ist der Teil des Schattens, den kein Strahl der Lichtquelle direkt erreicht. Der Schatten einer punktuellen Lichtquelle (1) ist vollständig dunkel. Verdeckt hingegen der bestrahlte Körper die Lichtquelle nicht gänzlich, entsteht neben dem Kernschatten auch ein Teil- oder Halbschatten (2). © Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Die Strahlenoptik oder geometrische Optik beruht auf dem Modell von geradlinigen Lichtstrahlen, die nur bei so genannter Brechung (beim Übergang in ein optisch dichteres oder dünneres Medium) oder Reflexion ihre Richtung ändern. Man kann sich in diesem Bild auch Photonen (Lichtteilchen, d. h. kleine Körperchen) denken, die entlang dieser geraden Wege mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Alle Welleneffekte des Lichtes werden in der Strahlenoptik vernachlässigt. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, oft mit c abgekürzt (von lateinisch celeritas: Schnelligkeit), beträgt 299 792,5 Kilometer pro Sekunde und wurde erstmals von dem dänischen Physiker Ole Römer im 17. Jahrhundert anhand von Beobachtungen an den Jupitermonden bestimmt. In Materie, etwa in Luft, Wasser oder Glas, ist die Lichtgeschwindigkeit hingegen geringer. Der Faktor n = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum/Lichtgeschwindigkeit im Medium ist eine Materialkonstante und heißt die optische Dichte des Mediums. Die optische Dichte des Vakuums beträgt also 1, die von Luft 1,00029. Tatsächlich hängt die Lichtgeschwindigkeit in Materie auch von der Farbe des Lichtes ab, allerdings nur geringfügig. Mit bestimmten Kristallen kann man die Geschwindigkeit des Lichtes bis auf 17 Meter pro Sekunde reduzieren. Aus der Geradlinigkeit der Lichtstrahlen ergibt sich sofort die Schattenform eines beliebigen Gegenstandes: alle diejenigen Punkte eines Projektionsschirmes (etwa einer Wand) liegen im Schatten, bei denen die direkte Verbindungslinie zur Lichtquelle den (undurchsichtigen) Gegenstand durchdringt. Es folgt auch sofort, dass der Rand des Schattens unscharf ist, wenn die Lichtquelle ausgedehnt ist; nur punktförmige Lichtquellen erzeugen vollkommen scharfe Schatten. Dies liegt daran, dass von manchen Punkten des Schirmes aus, dem so genannten Halbschatten, die Verbindungsstrecke zu manchen Punkten der Lichtquelle durch den undurchsichtigen Gegenstand unterbrochen ist, zu anderen Punkten der Lichtquelle aber nicht. Die Unschärfe des Schattens, d. h. die Breite des Halbschattens, erhöht sich mit der Ausdehnung der Lichtquelle, mit der Nähe zur Lichtquelle und mit der Entfernung zwischen Gegenstand und Schirm. Es gilt die Formel b : d = g : w,wenn b die Breite des Halbschattens, d die Distanz Gegenstand-Schirm, g die Größe der Lichtquelle und w die Weglänge Gegenstand-Lichtquelle ist. Ebenso legt die Geradlinigkeit der Lichtstrahlen die Gesetze des perspektivischen Zeichnens fest: der Künstler stellt sich vor, wo später das Bild hängen soll, um das Blickfeld des Betrachters einzunehmen, und zeichnet jeden Punkt des wahren Objektes genau dort ein, wo seine Verbindungslinie zum Auge die Bildfläche schneidet. Die Details dieser Aufgabe und ihre praktische Ausführung behandelt die darstellende Geometrie. Die Geradlinigkeit der Lichtstrahlen wird verletzt durch Reflexion und Brechung. Mit Hilfe des Reflexions- und des Brechungsgesetzes lässt sich die damit verbundene Richtungsänderung vorhersagen und daher der Weg eines Lichtstrahls komplett berechnen (solange zumindest, wie man Beugung ignorieren kann), etwa in einem System von Linsen, Spiegeln und Prismen. 3.1 Reflexion Wenn ein Lichtstrahl, der durch ein homogenes Medium läuft, auf die Oberfläche eines zweiten homogenen Mediums trifft, so wird ein Teil des Lichtes reflektiert, während ein Teil (der ,,gebrochene Strahl") in das zweite Medium eindringt. Im Allgemeinen finden also Reflexion und Brechung zugleich statt, mit unterschiedlichen Anteilen an der Lichtintensität. Die Menge des reflektierten Lichtes hängt vom Verhältnis der optischen Dichten der beiden Medien ab. Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Reflexionswinkel genau so groß ist wie der Einfallswinkel (,,Ausfallswinkel gleich Einfallswinkel"), und dass der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Senkrechte im Einfallspunkt in einer Ebene liegen. Die Ebene, die den einfallenden Strahl und die Senkrechte zur reflektierenden Fläche im Einfallspunkt enthält, nennt man auch die Einfallsebene. Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Senkrechten (dem ,,Flächenlot"), der Reflexionswinkel ist der Winkel zwischen dem auslaufenden Strahl und dem Lot. Im Photonenbild kann man das Gesetz auch so formulieren: Diejenige Komponente des Geschwindigkeitsvektors des Photons, die senkrecht auf der reflektierenden Fläche steht, wird umgekehrt, während die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors parallel zur Fläche unverändert bleiben. Nach genau demselben Gesetz übrigens prallt auch ein Tennisball von einer Wand ab, oder eine Billardkugel an der B...