Teilchen und Wellen, die von einem Spiegel reflektiert werden

Die eine Theorie geht davon aus, dass Licht wellenförmig ist und Energie erzeugt, die sich durch den Raum bewegt. So ähnlich wie Wasserwellen, die sich über die Oberfläche eines ruhigen Teichs ausbreiten, nachdem sie durch einen fallenden Stein erzeugt wurden. Die andere Theorie geht davon aus, dass das Licht aus einem steten Strom von Teilchen besteht, ähnlich wie winzige Wassertropfen, die aus einer Gartenschlauchdüse sprühen. In diesem interaktiven Tutorial wird untersucht, wie sich Teilchen und Wellen verhalten, wenn sie von einer glatten Oberfläche reflektiert werden.

Das Tutorial beginnt mit Teilchen aus monochromatischem rotem Licht (Photonen), die mit einem Einfallswinkel von ca. 60° auf die Oberfläche eines Spiegels treffen. Die auftreffenden Teilchen prallen von der Oberfläche in einem Reflexionswinkel, der dem Einfallswinkel (gemessen von einer Ebene senkrecht zum Spiegel) entspricht, ab. Mithilfe des Schiebers Particle/Wave unter dem Spiegel kann der Teilchenstrahl in eine plane Wellenfront verwandelt werden. Bevor sie zu einer Welle werden, richten sich die Teilchen in Wellen aus.

Ein guter Vergleich der Wellen- mit der Teilchentheorie betrifft die Unterschiede, wenn Licht von einer glatten Oberfläche, z. B. einem Spiegel, reflektiert wird. Die Wellentheorie geht davon aus, dass eine Lichtquelle Lichtwellen abgibt, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Beim Auftreffen auf einen Spiegel werden die Wellen entsprechend den Einfallswinkeln reflektiert, wobei jedoch jede Welle umgedreht wird, sodass ein umgekehrtes Bild entsteht (Abbildung 1). Die Form der ankommenden Wellen ist stark davon abhängig, wie weit die Lichtquelle vom Spiegel entfernt ist. Licht von einer nahen Lichtquelle weist immer noch eine sphärische, stark gekrümmte Wellenfront auf, wohingegen sich Licht von einer weit entfernten Lichtquelle stärker ausbreitet und mit fast planen Wellenfronten auf den Spiegel trifft.

Die Argumente für eine teilchenartige Natur des Lichts sind bezüglich des Reflexionsphänomens weitaus stärker als in Bezug auf die Brechung. Licht von einer nahen oder fernen Lichtquelle erreicht die Spiegeloberfläche als Strom von Teilchen, die an der glatten Oberfläche abprallen oder reflektiert werden. Da die Teilchen sehr klein sind, sind an einem sich ausbreitenden Lichtstrahl sehr viele Teilchen beteiligt, die sich sehr dicht nebeneinander bewegen. Beim Auftreffen auf den Spiegel prallen die Teilchen von verschiedenen Punkten ab, sodass ihre Reihenfolge im Lichtstrahl bei der Reflexion umgekehrt wird und ein umgekehrtes Bild entsteht, wie in Abbildung 1 dargestellt. Beide Theorien erklären die Reflexion an einer glatten Oberfläche angemessen. Die Teilchentheorie besagt jedoch auch, dass bei einer sehr rauen Oberfläche die Teilchen in verschiedenen Winkeln abprallen und das Licht streuen. Diese Theorie stimmt sehr gut mit den experimentellen Beobachtungen überein.