3. Licht

3.1 Licht als Welle

Beim Licht lässt sich Brechung, Reflexion, Interferenz und Beugung nachweisen. Daraus kann geschlossen werden, dass Licht als Wellenvorgang beschrieben werden kann.

Weiter lässt sich Licht polarisieren, d.h. die Lichtwellen sind Transversalwellen. Zum Polarisieren verwendet man meist Polarisationsfolien, die ähnlich arbeiten, wie die bei Mikrowellen verwendeten Polarisationsgitter.

Ein Polarisationsfilter (Polarisator P) lässt nur eine Komponente des Schwingungsvektors passieren. Danach ist das Licht linear polarisiert. Ein zweites Polarisationsfilter (Analysator A) lässt wiederum nur eine Komponente des Schwingungsvektors hindurch.

3.2 Licht als elektromagnetische Welle

1. Erste Hinweise darauf, dass es sich um eine elektromagnetische Welle handelt, sind die folgenden Gemeinsamkeiten von elektromagnetischen Wellen und Licht:

• beide breiten sich im Vakuum mit der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit aus ;

• beide sind Transversalwellen;

• beide breiten sich ohne einen materiellen Träger im Raum aus.

2. Nachweise für die elektromagnetische Eigenschaft des Lichtes sind der Faraday-Effekt und der Kerr-Effekt.

Wird nun der Erregerstrom des Magneten eingeschaltet, so ist auf dem Schirm eine Aufhellung zu beobachten. Diese verschwindet wieder, wenn der Analysator gedreht wird.
Das Magnetfeld des Elektromagneten hat also die Polarisationsebene des Lichtes gedreht.

Wird eine Spannung an den Kondensator gelegt, so ist eine Aufhellung zu beobachten.
Das elektrische Feld des Kondensators hat also die Polarisationsebene des Lichtes gedreht.

3. Die Polarisationsfolien, die zur Herstellung polarisierten Lichts verwendet werden, nutzen gerade die elektromagnetische Eigenschaft des Lichtes aus. Die Folien bestehen aus langen, kettenförmigen Kohlenwasserstoffmolekülen. Bei der Herstellung werden die Folien in einer Richtung stark gedehnt, so dass sich die Moleküle in der Dehnungsrichtung parallel ausrichten. Weiter werden die Folien in eine Iod-Lösung getaucht. Das Iod lagert sich an den Molekülen an und macht sie in ihrer Längsrichtung elektrisch leitfähig. Senkrecht zur Molekülrichtung kann dagegen kein Strom fließen.

3.3 Polarisation durch Reflexion

Versuch 1:

Betrachtet man die Anzeige eines eingeschalteten Taschenrechners durch ein Polarisationsfilter, so verändert sich die wahrgenommene Helligkeit der Anzeige; bei einer bestimmten Winkelstellung des Filters ist die Anzeige sogar ganz verdunkelt. Das von der Anzeige reflektierte Licht ist also offenbar linear polarisiert.

Aus den Maxwell-Gleichungen lässt sich ableiten, wie sich das elektrische Feld und das magnetische Feld einer elektromagnetischen Welle bei der Reflexion und Brechung an der Trennschicht zweier verschiedener Medien verhalten. Das Ergebnis sei hier ohne Herleitung mitgeteilt:

Unpolarisiertes Licht kann in eine Komponente parallel zur Einfallsebene und in eine Komponente senkrecht zur Einfallsebene zerlegt werden. Die Beobachtung von Versuch 2 kann nun mit dem Verhalten der Komponenten bei Brechung und Reflexion erklärt werden.

Die einfallende Welle regt die Elektronen im Medium zu Schwingungen an. Die Komponente schwingt nun genau in die Richtung des reflektierten Lichtes. Da ein Dipol aber in Schwingungsrichtung nicht strahlt, enthält das reflektierte Licht keine Komponente parallel zur Einfallsebene.

Der Einfallswinkel , bei dem dieses Verhalten auftritt, heißt Brewster-Winkel. Die Messung dieses Winkels bietet eine einfache Möglichkeit, die Brechzahl des verwendeten Mediums zu ermitteln.