Big Bang 7, Schulbuch

Welle und Teilchen 33 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Quantenphysik 55 Die Lehre vom Licht, also die Optik , gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Schon die alten Griechen diskutierten darüber, ob Licht von den Dingen ausgeht oder ob unsere Augen die Dinge quasi abtasten. Erst der arabische Natur- forscher I BN A L H AITHAM scheint um das Jahr 1000 klargestellt zu haben, dass sichtbare Dinge Licht aussenden, also selbst leuchten oder fremdes Licht zurückwerfen. Das klingt sehr logisch! Nach der „Abtasthypothese“ könntest du ja auch im Dunkeln sehen ( F5 )! Aber was ist Licht? Was wird dabei ausgesendet? Im 17. Jahr- hundert gab es zwei Ansichten. C HRISTIAN H UYGENS (siehe Kap. 33.1, S. 53) war der Ansicht, dass Licht eine Welle sei. Er vertrat also die Wellentheorie . I SAAC N EWTON war hingegen der Meinung, dass Licht ein Strom von Teilchen sei und vertrat somit die Teilchentheorie . Newtons Autorität war dermaßen groß, dass sich seine Ansicht für mehr als ein Jahrhundert lang durchsetzte. Aber dann kam das Jahr 1801 , und T HOMAS Y OUNG stellte ein Experiment vor, mit dem er eindeutig zeigen konnte, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Das von ihm erfundene Doppelspalt-Experiment ist ein absoluter Klassiker und wird bis heute durchgeführt (siehe etwa Abb. 33.23, S. 60). Warum war dieses Experiment ein starker Hinweis für die Wellen- theorie des Lichts? Um die Aussagekraft des Experiments zu verstehen, muss man sich zuerst überlegen, was das Licht hinter einem Doppelspalt macht – je nachdem, ob es sich wie ein Teilchen oder eine Welle verhält. Nehmen wir zunächst an, Licht ver- hält sich wie ein Schauer von Teilchen . Auf einem Schirm hinter dem Doppelspalt müssten dann zwei helle Streifen entstehen, hinter jedem Spalt einer. R ICHARD F EYNMAN hat dazu gerne den Vergleich mit einem Maschinengewehr ge- braucht, mit dem man durch zwei Spalte schießt ( F7 ; Abb. 33.8). Abb. 33.8: Wenn du mit einem Maschinengewehr durch einen „Doppel- spalt“ schießt, bekommst du dahinter zwei Streifen mit den Ein- schlagstellen der Geschosse. Was würde nun aber passieren, wenn sich Licht wie eine Welle verhält? Für alle folgenden Überlegungen nehmen wir an, dass das Licht nur aus einer Frequenz besteht, also monochromatisch ist. Hinter jedem der beiden Spalte gäbe es dann eine Kreiswelle (Abb. 33.9). Ihre Überlagerung würde zu Interferenzen führen, sodass sich an manchen Stellen das Licht verstärkt und an manchen komplett aus- löscht. Wäre Licht also eine Welle, müsste man hinter dem Doppelspalt nicht nur zwei, sondern viele helle Streifen sehen ( F6 ; Abb. 33.10). Und genau das konnte Y OUNG mit seinem Doppelspalt-Experiment zeigen: viele helle Streifen! Abb. 33.9: Wenn man jeweils einen der Spalte abdeckt, dann bekommt man das bekannte Muster einer Kreiswelle (siehe auch Abb. 33.5 a, S. 54). Abb. 33.10: Durch die Überlagerung der beiden Kreiswellen kommt es zur Interferenz. Bei einer Lichtwelle würdest du dann am Schirm in diesem Fall mehrere helle Streifen bekommen. Das Experiment ist von oben betrachtet, aber der Schirm zur besseren Übersicht gedreht dargestellt. Mit der Teilchentheorie konnte man den Ausgang des Dop- pelspalt-Experiments nicht erklären. Denn es müssten sich ja an den dunklen Stellen zwei Teilchen zu keinem addieren, quasi 1 + 1 = 0! Im Rahmen der Wellentheorie ist die Erklä- rung mit Hilfe der destruktiven Interferenz aber kein Pro- blem. Das Experiment von Young führte nach und nach zu einem Umdenken. Die Wellentheorie setzte sich schließlich durch und die Teilchentheorie wurde wieder verworfen. Warum hat man erst so spät erkannt, dass Licht Wellen- eigenschaften hat? Vom Schall wusste man das schon we- sentlich früher. Das liegt daran, dass die Wellenlänge des Schalls rund eine Million Mal größer ist als die des Lichts . Die typischen Lichtwelleneigenschaften spielen daher im Alltag keine so offensichtliche Rolle wie beim Schall. Info: Schillernde CDs -> S. 56 Info: Um die Ecke sehen -> S. 56 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv