Mit Google fortfahren
Wellenmodell des Lichts einfach erklärt
Das Wellenmodell beschreibt Licht als elektromagnetische Welle. Es erklärt besonders gut, warum sich Licht an engen Öffnungen ausbreitet und warum bei der Überlagerung von Lichtwellen helle und dunkle Bereiche entstehen.
Auf dieser Seite lernst du, Wellenfronten zu deuten, Beugung und Interferenz zu unterscheiden und die Grenzen des Modells zu erkennen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was bedeutet „Licht ist eine Welle“?
Im Wellenmodell breitet sich Licht räumlich aus und besitzt Eigenschaften wie Frequenz, Wellenlänge und Amplitude. Es handelt sich jedoch nicht um eine Wasser- oder Schallwelle, sondern um eine elektromagnetische Welle.
Dabei ändern sich die Stärken eines elektrischen und eines magnetischen Feldes periodisch. Die beiden Schwingungsrichtungen stehen senkrecht zueinander und außerdem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Transversalwelle
Bei einer Transversal- oder Querwelle steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Licht ist eine solche Welle.
Die Frequenz kennzeichnet die Farbe des Lichts. Die Wellenlänge hängt zusätzlich von der Ausbreitungsgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff ab. Darum ist die Frequenz die eindeutigere Farbkennzeichnung.
Eine größere Amplitude bedeutet eine größere Intensität. Die Intensität gibt an, wie viel Energie pro Zeit und Fläche übertragen wird.
Wie entstehen neue Wellenfronten?
Eine Wellenfront verbindet Punkte, die sich im gleichen Schwingungszustand befinden. Lichtstrahlen stehen senkrecht auf solchen Wellenfronten. Dadurch lassen sich Wellen- und Strahlenmodell miteinander verbinden.
Huygenssches Prinzip
Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer neuen kreis- oder kugelförmigen Elementarwelle betrachtet werden. Die gemeinsame Einhüllende dieser Elementarwellen bildet die nächste Wellenfront.
Stell dir eine gerade Wellenfront vor. Von vielen Punkten dieser Front gehen gleichzeitig Elementarwellen aus. Nach derselben Zeit haben alle den gleichen Radius erreicht. Eine neue gerade Linie, die diese Elementarwellen außen berührt, ist die nächste Wellenfront. Sie liegt parallel zur vorherigen Front: Das Licht breitet sich geradlinig weiter aus.
Das Prinzip hilft auch bei Reflexion, Brechung und Beugung. Es beschreibt nicht einzelne Lichtteilchen auf festen Bahnen, sondern die Weiterentwicklung einer gesamten Wellenfront.
Warum gelangt Licht hinter Kanten?
Trifft Licht auf eine enge Öffnung oder eine Kante, breitet es sich auch in Bereiche aus, die nach einer rein geradlinigen Strahlvorstellung im Schatten liegen müssten. Diese Erscheinung heißt Beugung.
Nach dem huygensschen Prinzip werden die Punkte der Wellenfront in der Öffnung zu Ausgangspunkten neuer Elementarwellen. Hinter der Öffnung breiten sich diese Wellen nicht nur geradeaus, sondern auch seitlich aus.
Beugung
Beugung ist die seitliche Ausbreitung einer Welle an einer engen Öffnung oder an einer Kante. Sie ist besonders wichtig, wenn die Abmessungen nicht sehr viel größer als die Wellenlänge sind.
Beugung beschreibt, wie sich Licht an einer Öffnung oder Kante ausbreitet. Sie ist noch nicht dasselbe wie Interferenz.
Sind Öffnungen und Gegenstände sehr viel größer als die Lichtwellenlänge, fällt die Beugung oft kaum auf. Dann ist das Strahlenmodell eine gute Näherung.
Wie entstehen helle und dunkle Bereiche?
Treffen mehrere Wellen an einem Ort zusammen, überlagern sich ihre Schwingungen. Diese Überlagerung heißt Interferenz.
Für ein stabiles Interferenzmuster müssen die beteiligten Wellen kohärent sein. Das bedeutet: Ihre Phasenbeziehung bleibt konstant. Die Phase beschreibt, an welcher Stelle ihres Schwingungsablaufs sich eine Welle gerade befindet.
- Trifft ein Wellenberg auf einen Wellenberg, verstärken sich die Wellen. Es entsteht konstruktive Interferenz.
- Trifft ein Wellenberg auf ein Wellental, schwächen sich die Wellen ab oder löschen sich aus. Es entsteht destruktive Interferenz.
Beim Doppelspalt trifft Licht auf zwei enge, parallele Spalte. Hinter beiden Spalten entstehen gebeugte Teilwellen. An einem Punkt des Schirms treffen sie mit gleicher Phase zusammen: Dort entsteht ein Intensitätsmaximum, also ein heller Bereich. An einem anderen Punkt treffen entgegengesetzte Schwingungszustände zusammen: Dort entsteht ein Intensitätsminimum, also ein dunkler Bereich.
Das abwechselnde Muster aus hellen und dunklen Bereichen entsteht somit nicht durch zwei getrennte Lichtflecken, sondern durch Beugung an den Spalten und anschließende Interferenz der Teilwellen.
Bei nicht kohärenten Wellen bleibt die Phasenbeziehung nicht fest. Verstärkungen und Abschwächungen wechseln dann so, dass kein stabiles Interferenzmuster sichtbar bleibt. Das ist von der bloßen Addition beobachteter Intensitäten zu unterscheiden.
Welches Lichtmodell passt zu welcher Frage?
Ein Modell bildet bestimmte Eigenschaften der Wirklichkeit ab. Es ist deshalb nicht in jeder Situation gleich nützlich.
Das Wellenmodell erklärt unter anderem:
- Beugung an engen Öffnungen und Kanten,
- Interferenz mehrerer kohärenter Teilwellen,
- Polarisation,
- außerdem Ausbreitung, Reflexion und Brechung.
Das Strahlenmodell ist einfacher, wenn Beugung vernachlässigt werden kann. Das ist meist der Fall, wenn die betrachteten Gegenstände und Öffnungen sehr viel größer als die Lichtwellenlänge sind. Lichtstrahlen entsprechen dann den Senkrechten auf den Wellenfronten.
Die klassische Vorstellung von Licht als Strom winziger Korpuskeln kann geradlinige Ausbreitung und Reflexion beschreiben, erklärt aber Beugungs- und Interferenzmuster nicht.
Auch das Wellenmodell hat eine Grenze: Bei Vorgängen, bei denen der quantenhafte Charakter der Licht-Materie-Wechselwirkung entscheidend ist, wird ein Photonenmodell benötigt. Das moderne Photonenmodell ist nicht mit Newtons klassischer Korpuskularvorstellung gleichzusetzen.
Modelle widersprechen sich nicht automatisch. Du wählst das Modell danach aus, welche Eigenschaft des Lichts du untersuchen möchtest.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Wellenmodell des Lichts
- Elektromagnetische Transversalwelle
- Wellenfronten und Elementarwellen
- Beugung an Spalten und Kanten
- Interferenz kohärenter Teilwellen
- Strahlenmodell als Näherung
- Photonenmodell für quantenhafte Vorgänge
Abschluss-Check
Du hast das Lernziel erreicht, wenn du an einem neuen Spaltversuch erklären kannst, wo Beugung auftritt, wann ein stabiles Interferenzmuster möglich ist und warum das Strahlenmodell dafür allein nicht ausreicht.