1. Licht und Strahlung
Was ist Licht?
...und was ist Strahlung? Das klingt wie eine ungewöhnliche Frage. Aber die Antwort ist nicht so einfach! Jahrhundertelang versuchten Physiker ihr Wesen zu verstehen. Einige Wissenschaftler dachten an Wellen, andere an Teilchen, aus denen Licht und Stahlung besteht. Heute ist man sich darüber einig, dass weder Teilchen noch Wellen allein die Natur der Strahlung beschreiben. Also gibt es zwei Möglichkeiten, die über unsere alltäglichen Erfahrungen hinausgehen: in Experimenten kann Licht entweder charakteristische Merkmale von Teilchen oder von Wellen zeigen, je nachdem, welche Versuchsanordnung und Messbedingung gewählt werden. Das bezeichnet man als den komplementären Charakter von Licht und Strahlung.
Beginnen wir mit den grundlegenden Aspekten: Licht wird meistens als Welle betrachtet. Wellen sind Phänomene in Raum und Zeit, die in der Regel harmonisch verlaufen, d.h., dass sie periodische Eigenschaften in Raum und Zeit besitzen. Um die Eigenschaften von Wellen besser zu verstehen, schauen wir uns zunächst die Bewegung eines Balls auf der Wasseroberfläche bei Wellengang genauer an.
- Das zeitliche Verhalten der Welle wird durch die Bewegung des Balls an der mit einer senkrechten Linie markierten Stelle deutlich; der Ball beschreibt eine sinusförmige Bewegung, welche die Zeitabhängigkeit der Welle während ihres Weges von links nach rechts aufzeigt.
- Das räumliche Verhalten der Welle kann man mit einem Schnappschuss zeigen: eine sinusförmige Kurve über der Ortsachse aufgetragen, was eine Momentaufnahme der Welle zeigt.
Sowohl die Raum- als auch die Zeitabhängigkeit sind charakteristische Eigenschaften von Wellen!
Die Periodizität im Raum wird durch die Wellenlänge λ beschrieben, die ein Längenmaß ist und in Einheiten von Metern, Mikrometern, Kilometern... angegeben wird. Sie kann als Entfernung zwischen zwei benachbarten Maxima (oder: Wellenkämmen) bestimmt werden, oder auch zwischen anderen benachbarten Punkte der Welle mit gleicher Auslenkung.
Die Periodizität in der Zeit wird durch die Periodendauer T dargestellt. Sie hat als Dimension die Zeit und wird in Einheiten von Sekunden, Stunden, Jahren... angegeben. Wiederum kann die Periodendauer als Zeitabstand zwischen zwei benachbarten Maxima bestimmt werden.
Die Frequenz f einer Welle ist eine weitere Größe, mit der das zeitliche Verhalten von Wellen beschrieben wird. Sie kann aus der Periodendauer T mit der Beziehung f=1/T berechnet werden. Die Dimension der Frequenz ist 1/Zeit. Wenn die Zeit in Sekunden (s) angegeben wird, dann wird die Einheit 1/s als Hertz (Hz) bezeichnet.
Die Geschwindigkeit c, mit der sich Wellen ausbreiten, kann mit Hilfe der Frequenz und der Wellenlänge dargestellt werden:
Im Abschnitt über elektromagnetische Wellen wird gezeigt, wie diese Gleichung zustande kommt.
