Sexl Physik 7, Schulbuch

| 16 Was ist Licht? 16.1 Das Bild zeigt n ewton als jungen Mann. Newtons Werk gilt auch heute noch als eine der wichtigsten Grundlagen der Physik. Zwischen seinem 22. und 25. Lebens- jahr entwickelte er die Gravitationstheorie, die grundlegenden Werke zur Mechanik, die Optik und die Infinitesimalrechnung. Lichtquelle Q 1 m 2 m 3 m r 16.2 Mit Newtons Lichtmodell lässt sich leicht verstehen, weshalb bei einer punkt- förmigen Lichtquelle die Beleuchtungsstärke mit der Entfernung abnimmt. Lot v ’ v v II v II ’ ’ Luft Glas v v ’     16.3 Zur Herleitung des Reflexionsgesetzes nach Newtons Lichtmodell Einheiten Beleuchtungstechnik Lichtstrom = gesamte von einer Licht- quelle abgestrahlte Strahlungsenergie im sichtbaren Bereich pro Zeiteinheit. Maßeinheit: 1 Lumen (lm) Lichtstärke = Lichtstrom pro Raumwinkel (steradiant). Maßeinheit: 1 candela (cd) Beleuchtungsstärke = Lichtstrom pro Flä- cheneinheit. Der normal auf eine Fläche von 1 m 2 auffallende Lichtstrom. Maßeinheit: 1 Lux (lx) Die historische Auseinandersetzung zwischen zwei Physikern: Newton und Huygens Die Newton’sche Teilchentheorie des Lichts Das Reflexions und das Brechungsgesetz beschreiben zwar die Fortpflanzungs­ richtung des reflektierten und des gebrochenen Strahls, sie geben aber keine Auskunft darüber, warum das Licht an der Körperoberfläche gerade so reflektiert und gebrochen wird. Um die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht besser verstehen zu können, müssen wir wissen, was Licht ist. i Saac n ewton entwickelte im Zuge seiner Recherchen zu optischen Phänomenen um 1672 eine Theorie über die Natur des Lichts. Danach sendet eine Lichtquelle eine große Menge winziger Lichtteilchen aus, die mit konstanter Geschwindigkeit ge­ radlinig durch den Raum fliegen und beim Auftreffen auf die Netzhaut des Auges eine Helligkeitsempfindung hervorrufen. Fällt ein Strahl dieser Lichtteilchen auf die glatte Oberfläche eines durchsichtigen Körpers, so werden diese teils reflek­ tiert, teils dringen sie in den Körper ein und pflanzen sich im Inneren des Körpers weiter fort. Newton nahm nun an, dass die reflektierten Teilchen an der Oberfläche einen elastischen Stoß erleiden. Es lässt sich dann die Bahn eines schräg auftreffenden Teilchens leicht angeben. Wir denken uns den Geschwindigkeitsvektor des ein­ fallenden Teilchens in zwei Komponenten parallel und senkrecht zur Körperober­ fläche zerlegt. Da die Masse des Lichtteilchens sehr viel kleiner ist als die Mas­ se der Atome, wird die senkrechte Geschwindigkeitskomponente wie bei einem zu Boden fallenden Gummiball umgekehrt. Die parallele Geschwindigkeitskom­ ponente wird durch den elastischen Stoß nicht beeinflusst. Setzt man nach dem Stoß die beiden Geschwindigkeitskomponenten wieder zusammen, so erhält man den Geschwindigkeitsvektor q des wegfliegenden Teilchens. Das Lichtteilchen be wegt sich gerade so, wie es das Reflexionsgesetz vorschreibt. Aber auch andere Erscheinungen werden durch das Newton’sche Lichtmodell richtig beschrieben. So ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts im Vakuum eine Selbstver­ ständlichkeit. Auch die Abnahme der Beleuchtungsstärke bei einer „punktförmigen“ Lichtquelle (Kerze) mit dem Quadrat der Entfernung lässt sich leicht erklären. Da die Lichtteilchen nämlich nach allen Richtungen davonfliegen, durchsetzen sie im dop­ pelten Abstand von der Quelle bereits die vierfache Fläche. Versteht man unter der Beleuchtungsstärke ein Maß für die Zahl der Teilchen, die pro Sekunde auf einen Qua­ dratmeter einer Fläche auffallen, die senkrecht zur Strahlenrichtung steht, so muss die Beleuchtungsstärke bei Verdoppelung des Abstandes auf ein Viertel abnehmen. Einige Widersprüche kann die Newton’sche Teilchentheorie des Lichts aber nicht klären: a) Auf jene Lichtteilchen, die in den Körper eindringen, wirken nach Newton an­ ziehende Kräfte. Diese gehen von den Atomen des Körpers aus und besitzen eine kurze Reichweite. Tritt ein Lichtteilchen in den Körper über, so wird es an der Körperoberfläche von diesen Kräften erfasst und in den Körper hineingezogen. Dadurch steigt die senkrechte Geschwindigkeitskomponente an, während die pa­ rallele Geschwindigkeitskomponente unverändert bleibt. Befindet sich das Teil­ chen im Körper, so wirken die anziehenden Kräfte von allen Seiten ein und heben einander gegenseitig auf. Das Lichtteilchen bewegt sich daher im Körper unbe­ schleunigt weiter, und zwar mit einer größeren Geschwindigkeit als im Vakuum. Dies stand im Widerspruch zum Fermat’schen Prinzip. Erst etwa 150 Jahre nach Newton gelang die experimentelle Messung der Lichtgeschwindigkeit (s. S. 9) durch Foucault. Er wies nach, dass in Materie die Lichtgeschwindigkeit kleiner als im Vakuum ist. b) Selbst starke Lichtstrahlen können einander ungestört durchdringen. c) Licht wird an der Körperoberfläche zum Teil reflektiert und zum Teil dringt es in den Körper ein. Die Lichtteilchen müssten also teilweise angezogen und teilwei­ se abgestoßen werden. Eine Erklärung dafür fehlte. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv