Lichttheorien

Wie alle Modelle in der Physik sind auch die hier aufgeführten in ihrem Geltungsbereich beschränkt. Eine nach unserem heutigen Wissen vollständige Beschreibung des Phänomens „Licht“ kann nur die Quantenelektrodynamik liefern.

Die Vorstellungen über die Natur des Lichtes und die Art und Weise seiner Ausbreitung haben sich im Laufe der Jahrhunderte gewandelt. Im Jahre 1678 wurde von Christian Huygens die Vorstellung entwickelt, daß es sich bei dem Licht und seiner Ausbreitung um einen Wellenvorgang handelt, der verglichen werden kann mit der Bewegung von Wellen auf einer Wasseroberfläche (Wellentheorie des Lichtes von Huygens; Undulationstheorie). Die Lichtwellen sollten sich wie elastische Wellen räumlich in einem als Lichtäther bezeichneten unendlich feinen Stoffe ausbreiten, der alle anderen lichtdurchlässigen Stoffe durchsetzt. Über die Art der Ausbreitung Huygenssches Prinzip (Huygenssche Elementarwellen). Auch die Spiegelung und Brechung sowie die Ausbreitungsvorgänge des Lichtes im Kristall sowie bei dem Übergang des Lichtes aus der Luft in einen Kristall wurden bereits von Huygens in seiner berühmten Abhandlung „Traité de Lumière" behandelt.

Die Korpuskeltheorie des Lichts besagt, dass das Licht aus winzigen Teilchen bzw. Korpuskeln besteht, die von den leuchtenden Körpern mit großer Geschwindigkeit geradlinig ausgeschleudert bzw. emittiert werden, wobei die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ist. Diese Theorie konnte sowohl die geradlinige Ausbreitung, wie auch die Reflexion des Lichtes erklären. Ebenfalls können verschiedene Farben durch Annahme verschiedener Größe der Lichtteilchen erklärt werden. Beugung, Brechung an Grenzflächen oder teilweise Reflexion bereiten allerdings Schwierigkeiten. Die Brechung wurde so erklärt: In größerem Abstand zu Grenzflächen sind die Lichtteilchen allseitig von (anderen) gleichartigen Teilchen umgeben und fliegen deshalb geradlinig. An der Grenzfläche zweier verschieden „dichter“, transparenter Stoffe werden die „Lichtteilchen“ unterschiedlich stark angezogen und ändern deshalb schlagartig die Flugrichtung. Damit verbunden war die Vermutung, dass das Licht im „optisch dichteren“ Medium schneller fliegt. Erst viel später, nach 1820, wurde gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit im „optisch dichteren“ Medium kleiner ist als beispielsweise im Vakuum (snelliussches Brechungsgesetz). Obwohl also die Begründung für „optisch dichter“ falsch ist, wird dieser Ausdruck heute noch verwendet.

Äthertheorie des Lichtes von Fresnel, elastische Lichttheorie (1825). Auf der Grundlage der Wellentheorie wurden von Th. Young und besonders J.A. Fresnel die Interferenz- und Beugungserscheinungen des Lichtes erklärt und gezeigt; daß es sich bei den Lichtwellen um transversale, also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingende Wellen handelt. Dadurch ließ sich auch die Polarisation der Lichtwellen erklären. Als Träger der Wellen wurde auch hier ein hypothetischer, alle Stoffe durchdringender Lichtäther angenommen (Äthermitführung).
Die der Huygensschen Undulationstheorie sowie der Fresnelschen Theorie zugrunde liegende Lichtäthertheorie wurde in den neueren Lichttheorien als unbegründet aufgegeben, nachdem man erkannt hatte, daß es sich bei den Lichtschwingungen um Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes (nach Maxwell, s. u.) bzw. um die Ausstrahlung von Photonen (nach Einstein, s. u.) handelt, die, der Dualität: Korpuskel—Welle entsprechend, gleichzeitig mit einem Wellenfeld verbunden sind.

Emissionstheorie des Lichtes von Newton, Emanationstheorie, ballistische Lichttheorie von Isaac Newton (1642 bis 1727) wurde angenommen, daß das Licht aus kleinen materiellen Teilchen besteht, die mit sehr großer Geschwindigkeit von den leuchtenden Körpern ausgestoßen werden und geradlinig durch den Raum fliegen, sofern sie nicht durch Hindernisse oder evtl. bei dem Eintritt in andere Stoffe, z. B. Glas, aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt werden. So wurde zur Erklärung der Brechung angenommen, daß die stärker brechenden Körper eine größere Anziehungskraft auf die Teilchen ausüben, so daß sie bei schrägem Auftreffen auf die Oberfläche eines solchen, als optisch dichter bezeichneten Körpers in Richtung senkrecht zur Oberfläche eine größere Geschwindigkeit erhalten und daher zum Einfallslote hin gebrochen werden. Die Lichtteilchen müßten also im stärker brechenden Medium eine größere Geschwindigkeit als im weniger stark brechenden Medium haben.

Diese Theorie, die — besonders auch wegen der zuletzt erwähnten Schlußfolgerung — aufgegeben und durch die Wellentheorie des Lichtes (zunächst als Undulationstheorie bezeichnet) ersetzt wurde, feiert in gewissem Sinne in der Lichtquantentheorie des Lichtes wieder ihre Auferstehung. Tatsächlich ist ja die korpuskulare Geschwindigkeit _kv der Photonen wegen _pv • _kv = c² im stärker brechenden Medium größer als im schwächer brechenden Medium, da das stärker und schwächer sich aus der Phasengeschwindigkeit _pv der Welle, nicht aber aus der korpuskularen Geschwindigkeit _kv der Photonen herleitet.

Elektromagnetische Lichttheorie von Maxwell (1864). Diese von J. C. Maxwell geschaffene Lichttheorie ist eine Wellentheorie. Die Lichtschwingungen sind zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes transversale Schwingungen einer elektrischen sowie einer mit dieser in fester Beziehung stehenden, zu ihr stets senkrechten magnetischen Feldstärke, die in ihrer Zeit- und Ortsabhängigkeit den Maxwellschen Gleichungen genügen.

Während Max Plank bei der Ableitung der nach ihm genannten Strahlungsgesetzte zunächst nur für die Emissions- und Absorbtionsvorgänge eine quantenhafte Struktus des Lichtes annahm, für die Ausbreitungsvörgänge aber die Wellenvorstellung vom Licht glaubte beibehalten zu können, erwies es sich bald als erforderlich, auch für die Ausbreitung des Lichtes und der damit im Zusammenhang stehenden Fragen eine quantenhafte Struktur des Lichtes anzunehmen.
Dies Annahme wurde durch den photoelektrischen Effekt nahegelegt.

Lichtquantentheorie von A. Einstein (1905). Diese nimmt an, daß es sich bei dem Licht um von der Lichtquelle in schneller Folge ausgesandte sehr kleine korpuskulare Teilchen die Lichtquanten oder Photonen handelt, deren Energie E mit der wellenoptischen Frequenz v der Strahlung in dem Zusammenhang steht E = h v, wo h eine universelle Konstante, das Plancksche Wirkungsquantum bedeutet und die Dimension Energie x Zeit hat. Daher kann auch das Licht als Photonenfeld (Lichtquantenfeld) aufgefaßt und danach auch nach den Methoden der Quantentheorie der Wellenfelder theoretisch behandelt werden.
Das Licht läßt sich deshalb auch als Lichtquantenfeld auffassen, weil es ein elektromagnetisches Wellenfeld ist, ihm aber andererseits auch korpuskulare Eigenschaften zugesprochen werden müssen (Compton-Effekt). Das Licht kann also als eine Aufeinanderfolge von Photonen der Masse m = h_v/c² angesehen werden, deren Massen m (und Ruhmassen m_o )der Ruhmasse m_eo des Elektrons direkt, der Wellenlänge des Lichtes umgekehrt proportional sind.

Eine Reihe von Erscheinungen der Lichtoptik, die Beugung und Interferenz, von denen man früher annahm, daß sie sich nur wellenoptisch einwandfrei theoretisch behandeln lassen, gestatten auch eine theoretische Erklärung auf der Grundlage der Lichtquantenhypothese, andere lichtoptische Erscheinungen ließen sich bisher einwandfrei nur mit Hilfe der Lichtquantenhypothese erklären.