Licht

Elektromagnetische Lichttheorie von James C. Maxwell (1873) Bestätigt von Heinrich Hertz (1887)

Quantentheorie von Max Planck (1900):

Erklärt Naturerscheinungen, die mit der Wellennatur des Lichts nicht zu verstehen sind. Laut dieser Theorie gibt es nur bestimmte Energieportionen (Lichtquanten, Photonen) abgestrahlten Lichts. Diese haben bestimmte Eigenschaften.

Wellen-Teilchen-Dualismus:

Da wellenartige und teilchenartige Lichtstrahlen nebeneinander in einer einzelnen physikalischen Einheit existieren, müssen beide, die Wellen- und Quantentheorie, verwendet werden, weil beide das Lichtwesen nicht vollständig beschreiben.

Lichtgeschwindigkeit

Wie kam es überhaupt zur Messung der Lichtgeschwindigkeit?

Im späten 16. Jahrhundert erwachte das Interesse an der Wissenschaft wieder. Man wusste, dass man den Blitz früher sieht, als den Donner hört. Forscher zogen daraus den Schluss, dass Schall langsamer sein müsste als Licht.

Für die Messung der Lichtgeschwindigkeit gibt es verschiedene Methoden:

Bestimmung 1676 durch Olaf Rømer:

Er hat durch die Beobachtung des Jupitermondes Io bewiesen, dass sich Licht nicht unendlich schnell ausbreitet, sondern eine konstante, messbare Geschwindigkeit hat. Da ein Jupitermond

42 ½ Stunden brauchte um Jupiter zu umkreisen, konnte Rømer eine Tabelle der

Verfinsterungszeit für ein ganzes Jahr aufstellen. Im Dezember ist der Mond der Erde am weitesten entfernt und hier fand er heraus, dass seine Tabelle um 1000 Sekunden im Rückstand lag. Diese Verzögerung erklärte er damit, dass das Licht die 1000 Sekunden für die Zurücklegung von 300 Millionen km (Länge der Achse der Erdbahn) braucht. So kam er auf eine Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s.

A. H. Louis Fizeau (1849):

Der Franzose hat als 1. die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde gemessen.

Léon Foucault (1862):

1. Messung im Labor.

Albert Michelson:

Verbesserte Foucault's Methode zu höchster Exaktheit. Er verwendete für seine Messungen ein symmetrisches, achtseitiges Glasprisma, das um seine Achse rotierte und dessen Seitenflächen vollkommen spiegelten. Von einer Lichtquelle fiel ein Strahl auf das Prisma und wurde zu einem Spiegel weitergleitet. Dieser stand auf einem hohen Berg in 35 km Entfernung. Der Strahl wurde von dem Spiegel wieder zum Prisma zurückgeschickt. Das Prisma rotierte 530x in der Sekunde und im 424-sten Teil einer Sekunde legte das Licht den Weg vom Prisma zum Spiegel zurück. Dadurch bestimmte er die Lichtgeschwindigkeit mit 299 792 m/s. Durch diese Bestimmung ist es außerdem möglich die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und in lichtdurchlässigen Stoffen zu messen.

Vakuumlichtgeschwindigkeit (c) = 299.792.458 m/s

Dies ist eine grundlegende Naturkonstante, mit hoher Bedeutung in der modernen Physik. In der Luft ist die Lichtgeschwindigkeit um ca. 0,03 % geringer. In einem Medium ist sie generell kleiner. Zur Berechnung genügt ein Näherungswert von c = 3 x 10 8 m/s

Optische Dichte:

Ist nicht gleichzusetzen mit der Dichte ( = m/v). Ist die Lichtgeschwindigkeit in einem von 2 verschiedenen Medien geringer, so ist dieses optische dichter und das andere optisch dünner. Diamant - Glas - Plexiglas - Wasser - kalte Luft - heiße Luft nehmen der Reihe nach an optischer Dichte ab.

isotrop:

Sind jene homogenen Medien, in denen sich Licht in allen Richtungen mit derselben Geschwindigkeit ausbreitet. Da aber viele homogenen Stoffe einen Kristallaufbau haben sind sie anisotrop.

Größen und Maßeinheiten des Lichts:

Das Maß für die Helligkeit einer Lichtquelle ist die Lichtstärke I v . Diese Grundgröße ist im SI (System International) festgelegt. Die Lichtstärke wird in Candela (cd) angegeben.

Gesetzliche Definition.

Die Candela ist die Lichtstärke einer Strahlungsquelle in einer gegebenen Richtung, welche eine monochromatische (einfarbige) Strahlung mit einer Frequenz von 540 x 10 12 Hertz aussendet und deren Strahlung 1/683 Watt Steradiant (Einheit des Raumwinkels) in dieser Richtung beträgt.

Die Lichtstärke einer 100-Watt-Glühbirne ist 6x so groß wie die einer 25-Watt-Lampe. Das heißt stärkere Lampen haben einen höheren Wirkungsgrad als schwächere. Sie wandeln einen größeren Teil elektrischer Energie in Licht und nicht in Wärme um.

Der Lichtstrom (von einer Lichtquelle ausgehend) wird in Lumen (lm) angegeben. 1 Lumen ist der Lichtstrom, den eine Lichtquelle mit der Lichtstärke 1 cd vom Mittelpunkt einer Kugel mit dem Radius 1 m durch ein 1 m² großes Flächenstück der Kugeloberfläche strahlt.

5 40-W-Glühbirnen haben den selben Lichtstrom wie eine 40-W-Leuchtstoffröhre.

Das Maß der Helligkeit einer beleuchteten Fläche ist die Beleuchtungsstärke E. Diese wird in Lux (lx) gemessen. 1 Lux entspricht einer Fläche von 1 m², mit einem gleichmäßigen Lichtstrom von 1 lm.

Beleuchtungsstärke = Lichtstärke E =

Quadrat d. Abstandes r²

Vorraussetzung dafür ist ein senkrechter Lichteinfall.