Optik - Physik.

« Optik - Physik. 1 EINLEITUNG LupeErst wenn der Brennpunkt der konvexen Linse, die den Strahlengang des betrachteten Objekts bricht, genau auf der Netzhaut liegt,entsteht ein vergrößertes und scharfes Abbild auf der Retina.© Microsoft Corporation.

Alle Rechte vorbehalten. Optik , Teilgebiet der Physik, das sich mit der Ausbreitung, dem Verhalten und den Möglichkeiten der Beeinflussung des Lichtes befasst.

Dabei kann der Begriff „Licht” über das sichtbare Licht hinaus noch andere elektromagnetische Strahlung umfassen, nämlich Strahlung von höherer Frequenz (Ultraviolettstrahlung, Röntgen- undGammastrahlung) und auch Strahlung von niedrigerer Frequenz (infrarote Strahlung, Mikrowellen und Radiowellen). Die Optik lässt sich nach verschiedenen Modellen des Lichtes, die ihr zu Grunde liegen, in folgende Teilgebiete untergliedern: Strahlenoptik (oder geometrische Optik),Wellenoptik und Quantenoptik. 2 GESAMTÜBERBLICK Die Strahlenoptik geht davon aus, dass sich Licht geradlinig, also in Form von Strahlen, fortpflanzt, solange es nicht reflektiert (gespiegelt) oder „gebrochen” wird.

DieKonstruktion von ebenen oder vergrößernden Spiegeln (wie etwa in einem Spiegelteleskop) sowie Linsen beruht zunächst auf den Gesetzen der Strahlenoptik (vor allemdem Brechungs- und dem Reflexionsgesetz, siehe unten ), die freilich nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich haben. Die Wellenoptik nimmt an, Licht sei eine wellenförmige Schwingung des elektromagnetischen Feldes, die den Maxwell’schen Gleichungen gehorcht.

Das Brechungs- und dasReflexionsgesetz der Strahlenoptik ergeben sich dann als Spezialfall für ebene Wellen; darüber hinaus kann die Wellentheorie die Polarisations- und Interferenzphänomeneerklären, so etwa die Lichtbeugung und Lichtstreuung.

Dennoch ist die Wellentheorie nicht völlig korrekt. Die Quantenoptik wiederum, die nach dem heutigen Stand der Erkenntnis korrekte Theorie des Lichtes, behandelt das Licht nach den Prinzipien der Quantentheorie, dienicht zuletzt anhand des Lichtes entdeckt wurde.

Auch hier werden die Maxwell’schen Gleichungen benutzt (und daher rührt die Korrektheit vieler Ergebnisse derWellenoptik).

Aber anders als in der Wellenoptik dienen die Gleichungen von Maxwell in der Quantenoptik als Ausgangsbasis für die Feldoperatoren oder dieQuantenmechanik-Wellenfunktion.

Die Unterschiede zwischen Quanten- und Wellenoptik treten einerseits bei der Behandlung der Wechselwirkung zwischen Licht undMaterie (Lichterzeugung und -absorption, besonders Wärmestrahlung und Laser) zu Tage, andererseits in Fällen mit verschränkter Wellenfunktion, wie beiMehrteilcheninterferenz und Nichtlokalitätsexperimenten ( siehe EPR-Paradoxon). Anwendungen der Optik finden sich natürlich vor allem bei Geräten und Maschinen, die Licht verarbeiten, wie z.

B.

bei Foto- und Filmkameras, Mikro- und Teleskopen,Projektoren, Lichtsensoren, Lasern und Lichtleitern.

Von besonderer Bedeutung sind u.

a.

auch die Anwendungen der Optik in der Medizin (z.

B.

Brillen, innere Medizin etc.). 3 STRAHLENOPTIK Kernschatten und HalbschattenDer dunkelste Teil eines Schattens wird Kernschatten oder Umbra genannt; es ist der Teil des Schattens, den kein Strahl derLichtquelle direkt erreicht.

Der Schatten einer punktuellen Lichtquelle (1) ist vollständig dunkel.

Verdeckt hingegen der bestrahlteKörper die Lichtquelle nicht gänzlich, entsteht neben dem Kernschatten auch ein Teil- oder Halbschatten (2).© Microsoft Corporation.

Alle Rechte vorbehalten. Die Strahlenoptik oder geometrische Optik beruht auf dem Modell von geradlinigen Lichtstrahlen, die nur bei so genannter Brechung (beim Übergang in ein optisch dichteresoder dünneres Medium) oder Reflexion ihre Richtung ändern.

Man kann sich in diesem Bild auch Photonen (Lichtteilchen, d.

h.

kleine Körperchen) denken, die entlang diesergeraden Wege mit Lichtgeschwindigkeit fliegen.

Alle Welleneffekte des Lichtes werden in der Strahlenoptik vernachlässigt. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, oft mit c abgekürzt (von lateinisch celeritas: Schnelligkeit), beträgt 299 792,5 Kilometer pro Sekunde und wurde erstmals von dem dänischen Physiker Ole Römer im 17.

Jahrhundert anhand von Beobachtungen an den Jupitermonden bestimmt.

In Materie, etwa in Luft, Wasser oder Glas, ist dieLichtgeschwindigkeit hingegen geringer.

Der Faktor n = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum/Lichtgeschwindigkeit im Medium ist eine Materialkonstante und heißt die optische Dichte des Mediums.

Die optische Dichte des Vakuums beträgt also 1, die von Luft 1,00029.

Tatsächlich hängt die Lichtgeschwindigkeit in Materie auch von der Farbe des Lichtes ab, allerdings nur geringfügig.

Mit bestimmten Kristallen kann man die Geschwindigkeit des Lichtes bis auf 17 Meter pro Sekunde reduzieren. Aus der Geradlinigkeit der Lichtstrahlen ergibt sich sofort die Schattenform eines beliebigen Gegenstandes: alle diejenigen Punkte eines Projektionsschirmes (etwa einer. »