Big Bang HTL 3, Schulbuch

Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 73 Einige Licht-Phänomene 8 Maxwells Entdeckungen zur Entstehung und Ausbreitung von EM-Wellen machten die Optik zu einem Teilgebiet des Elektromagnetismus. Für uns Menschen ist Licht etwas Besonderes, weil wir es sehen können. Aus Sicht des Universums ist es aber bloß ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums (siehe Abb. 7.3, S. 67). Oft wird das gesamte EM-Spektrum als Licht bezeichnet, in diesem Kapitel ist mit Licht aber immer nur der sichtbare Teil gemeint. Dieser hat eine Wellenlänge von etwa 400 bis 750nm. Wir sehen uns exemplarisch einige Phänomene an, bei denen vor allem der elektromagnetische Wellencharakter des Lichts im Vordergrund steht, und werden an manchen Stellen diese Erkenntnisse auch für andere EM-Wellen verallgemeinern. 8.1 Metalle sehen glänzend aus Reflexion Hier geht es darum, warum manche Stoffe elektromagneti- sche Wellen so gut reflektieren und manche nicht. Dass vor allem Metalle Licht so gut reflektieren können, liegt an ihren frei beweglichen Elektronen. Die tatsächlichen Verhältnisse sind einigermaßen kompliziert, aber das Wesentliche kann man einfach erklären. Wenn Licht auf eine Metallfläche trifft, dann werden durch das veränder- liche elektrische Feld die Elektronen an der Oberfläche in Schwingungen gebracht (Abb. 8.2). Das Auftreffen der Licht- welle führt also dazu, dass die Oberfläche, ähnlich wie eine Antenne, eine weitere Lichtwelle aussendet (siehe Abb. 7.21, S. 71). Das ist dann die reflektierte Welle, die du siehst. Metalle reflektieren Licht fast vollständig. Das verleiht ihnen ihren Glanz. Im Inneren heben sich alle Effekte bei- nahe auf. Licht kann aber immerhin einige Millionstel Meter in Metalle eindringen. Dafür gibt es einen Beleg: Was versteht man unter dem Huygens-Prinzip? Was besagt das Reflexionsgesetz? Lies nach in Kap. 13.1 f., NAWI 1. Konstruiere die Reflexion einer ebenen Welle mit Hilfe des Huygens-Prinzips. L Bei Spiegeln werden immer Metall oder Metallfolien verwendet (Abb. 8.1). Warum spiegeln diese so gut? Warum befindet sich bei einem normalen Spiegel vor der Metallschicht Glas, bei einem Präzisionsspiegel aber hinter dieser? Welcher optische Effekt tritt bei sehr dünnen Metallschichten auf, etwa bei Blattgold? F1 A1 F2 A2 Abb. 8.1: Der große Spiegel des Hubble-Teleskops Abb. 8.2: Die einlaufende Lichtwelle (es ist nur das elektrische Feld eingezeichnet) regt die Elektronen zu Schwingungen an, wodurch eine neue Lichtwelle entsteht (strichliert). Im Inneren heben sich die Effekte (beinahe) auf – die Welle kann ein klein wenig eindringen. Sehr dünne Metallschichten sind nämlich tatsächlich durch- sichtig, etwa Blattgold (Dicke rund 10 –6 m). Die Spiegel im Alltag bestehen aus einer nicht ganz so dünnen Metall- schicht, die zum Schutz auf der Rückseite einer Glasplatte aufgetragen ist ( F2 ). Bei Präzisionsspiegeln (Abb. 8.1) würde die lichtbrechende Wirkung des Glases stören. Des- halb liegt bei diesen die Metallschicht vor dem Glas. Warum ist das Glas eigentlich durchsichtig? Weil es als Isolator kei- ne frei beweglichen Ladungen hat und außerdem das Licht kaum absorbiert. Der hier beschriebene Reflexionsmechanismus gilt auch für andere EM-Wellen. So können Metallgerüste Radio- oder Handyempfang durch Reflexion stören. Und Radarwellen werden sehr gut an Metall reflektiert, was man bei Tarn- kappenbombern (Abb. 9.10, S. 83) zu vermeiden versucht. Zusammenfassung Metalle bzw. Stoffe mit frei beweglichen Ladungen reflek- tieren EM-Wellen sehr gut, weil diese Ladungen zu Schwin- gungen angeregt werden und somit neue EM-Wellen glei- cher Frequenz erzeugen. 8.2 Rettungsschwimmer am Strand Brechung und Totalreflexion Die Lichtbrechung spielt im Alltag bei allen optischen Gerä- ten eine Rolle und natürlich bei deinen Augen, die quasi auch optische Geräte sind. Aber warum wird Licht eigentlich gebrochen? Das sehen wir uns auf der nächsten Seite an! Z FW T P Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv