Wellenoptik


Licht mit Wellencharakter


Basiswissen


Die Wellenoptik beschreibt Licht und elektromagnetische Strahlung überhaupt mit einer mathematischen Theorie, die große Ähnlichkeit mit der Theorie von Wasserwellen hat.

Anlass


◦ Viele Erscheinungen von Licht kann man sich mit Strahlen erklären.
◦ Ein Strahl ist eine gedachte gerade Linie mit Anfang aber ohne Ende.
◦ So gedacht wäre Licht ein Strom von kleinstens Teilchen auf einem Strahl.
◦ Viele Effekte an Linsen (z. B. Brechung) kann man so gut berechnen.
◦ Andere Effekte aber nicht, z. B. Beugung oder Interferenz.
◦ Für solche Effekte stellt man sich Licht aus Wellen vor.
◦ Die entsprechende Optik nennt man dann Wellenoptik.

Zentrale Phänomene


◦ Ein Hauptgrund zur Modellierung von Licht als Welle ist => Interferenz
◦ Der klassische Versuch dazu ist der => Doppelspaltversuch
◦ Ebenfalls für das Wellenmodell spricht die => Beugung

Analogie zur Wasserwelle


◦ Licht als Welle wird auf zwei ganz unterschiedliche Weisen modelliert.
◦ Einmal denkt man in enger Analogie zu Wasserwellen, etwa in einem Becken.
◦ Ein Kügelchen fällt in das Becken und erzeugt ausgedehnte Wellen.
◦ An manchen Stellen treffen sich verschiedene Wellenteile.
◦ Wo das geschieht, überlagern sie sich und erzeugen Interferenz.
◦ In diesem Modell spielt die Frage nach "Lichtteilchen" keine Rolle.
◦ Zur Modellierung betrachtet man meistens nur Wellen gleicher Länge.
◦ Die Wellen werden dabei als sinusförmig und unendliche ausgedehnt gedacht.
◦ Dieses Modell ist im Wesentlichen das Modell der Wellenoptik.

Photon als Lichtwelle


◦ Ein völlig anderer Ansatz ist es, Lichtteilchen als Welle zu modellieren.
◦ Dort überlagert man unendlich viele Wellen mit unterschiedlicher Länge.
◦ Das Ziel ist die Erzeugung eines sogenannten Wellenpaketes:
◦ Ein eng begrenzter, wandernder Wellenerg simuliert das Teilchen.
◦ So gedachtes Licht fällt aber nicht mehr in die Wellenoptik.
◦ Derart modelliertes Licht gehört in die Quantenphysik.
◦ Mehr dazu unter => Photonenwelle

Wer gilt als Urheber der Wellenoptik?


◦ Der Jesuit Francesco Maria Grimaldi.
◦ Vor Huygens und vor Newton beschrieb Grimaldi Licht explizit als Wellenphänomen.
◦ Eine rein geradlinie Ausbreitung von Licht schloss Grimaldi ausdrücklich aus.
◦ Mehr zur Person unter => Francesco Maria Grimaldi

Original-Literatur


◦ Francesco Maria Grimaldi: Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis, Bologna 1665
◦ Isaac Newton: Opticks. 1704 auf Englisch, überarbeitete Ausgabe auf Latein 1706.
◦ Thomas Young, Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, "Philosophical Transactions of the Royal Society of London", vol 94 (1804). [Vorläufer des Experimentes mit geteiltem Lichtstrahl] URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1804.0001