Big Bang 7, Schulbuch

238tj9 20 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen Einige Licht-Phänomene 29 M AXWELLS 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. 28.3, S. 15). 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 Wel- lencharakter des Lichts im Vordergrund steht, und werden an manchen Stellen diese Erkenntnisse auch für andere EM-Wellen verallgemeinern. 29.1 Metalle sehen glänzend aus Reflexion Hier geht es darum, warum manche Stoffe elektroma- gnetische Wellen so gut reflektieren und manche nicht. Dass vor allem Metalle Licht so gut reflektieren, liegt an ihren frei beweglichen Elektronen. Die tatsächlichen Verhält- nisse sind kompliziert, aber das Wesentliche kann man einfach erklären. Wenn Licht auf eine Metallfläche trifft, dann werden durch das veränderliche elektrische Feld die Elektronen an der Oberfläche in Schwingungen gebracht (Abb. 29.2). Das Auftreffen der Lichtwelle führt also dazu, dass die Oberfläche, ähnlich wie eine Antenne, eine weitere Lichtwelle aussendet (siehe Abb. 28.19, S. 19). 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 beinahe 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? Konstruiere die Reflexion einer ebenen Welle mit Hilfe des Huygens- Prinzips. L Bei Spiegeln werden immer Metall oder Metallfolien verwendet (Abb. 29.1). 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 W1 F2 S1 Abb. 29.1: Der große Spiegel des Hubble- Teleskops Abb. 29.2: 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 ein- dringen. Sehr dünne Metallschichten sind nämlich durchsichtig, etwa Blattgold (Dicke rund 10 –6 m). Die Spiegel im Alltag bestehen aus einer nicht ganz so dünnen Metallschicht, die zum Schutz auf der Rückseite einer Glasplatte aufgetragen ist ( F2 ). Bei Präzisionsspiegeln (Abb. 29.1) würde die lichtbrechende Wirkung des Glases stören und deshalb liegt die Metallschicht vor dem Glas. Warum ist Glas eigentlich durchsichtig? Weil es als Isolator keine frei beweglichen Ladungen hat und außerdem das Licht kaum absorbiert. Dieser Reflexionsmechanismus gilt auch für andere EM-Wellen. So können Metallgerüste Radio- oder Han- dyempfang durch Reflexion stören. Und Radarwellen wer- den sehr gut an Metall reflektiert, was man bei Tarn- kappenbombern zu vermeiden versucht (siehe Abb. 30.10, S. 29). 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 gleicher Frequenz erzeugen. 29.2 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? ? Fragenbox Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv