Teilchen- und Wellenbrechung

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 an einer transparenten Oberfläche gebrochen werden.

Das Tutorial beginnt mit Teilchen aus monochromatischem rotem Licht (Photonen), die mit einem Einfallswinkel von ca. 30° auf die Oberfläche eines Glaskörpers treffen. Beim Auftreffen auf das Glas werden die Teilchen nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gebrochen und passieren das Medium linear. Wenn die Teilchen auf die zweite Glas/Luft-Grenze treffen (am Boden des Glaskörpers), werden sie erneut gebrochen und wandern in einem Winkel zurück in den Raum. Mithilfe des Schiebers Particle/Wave unter dem Glaskörper kann der Teilchenstrahl in eine plane Wellenfront verwandelt werden. Bevor sie zu einer Welle werden, richten sich die Teilchen in Wellen aus.

Christiaan Huygens hatte trotz seiner Intuition in seiner Abhandlung Traité de la Lumière von 1690 vorgeschlagen, dass Lichtwellen mithilfe des Äthers durch den Raum wandern, eines geheimnisvollen gewichtslosen Stoffes, der als unsichtbare Einheit in Luft und Raum existiert. Die Suche nach dem Äther wurde im 19. Jahrhundert intensiv vorangetrieben, schließlich aber eingestellt. Die Äthertheorie hielt sich mindestens bis zum Ende des 19. Jahrhunderts. Beispiele sind das von Charles Wheatstone vorgeschlagene Modell, das zeigen sollte, das der Äther Lichtwellen überträgt, indem er in einem Winkel senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts schwingt, oder die detaillierten Modelle von James Clerk Maxwell zur Beschreibung des Aufbaus des unsichtbaren Stoffes. Christiaan Huygens nahm an, dass der Äther gleichgerichtet mit Licht schwingt und selbst eine Welle bildet, mit der er die Lichtwellen transportiert. In einer späteren Arbeit, Huygens' Principle, beschrieb er, wie jeder Punkt auf einer Welle seine eigenen Wavelets erzeugen kann, die sich dann zu einer Wellenfront addieren. Christiaan Huygens nutzte diese Idee, um eine detaillierte Theorie für das Brechungsphänomen zu erstellen, und um zu erklären, warum Lichtstrahlen nicht kollidieren, wenn sie sich kreuzen.

Wenn ein Lichtstrahl durch zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes wandert, wird er gebrochen und ändert seine Richtung, wenn er vom ersten Medium in das zweite gelangt. Um zu bestimmen, ob der Lichtstrahl aus Wellen oder Teilchen besteht, kann jeweils ein Modell entwickelt werden, um das Phänomen zu erklären (Abbildung 1). Gemäß der Wellentheorie von Christiaan Huygens sollte ein kleiner Teil jeder gewinkelten Wellenfront auf das zweite Medium treffen, bevor der Rest der Wellenfront die Grenzfläche erreicht. Dieser Teil beginnt, sich durch das zweite Medium zu bewegen, während sich der Rest der Welle noch im ersten Medium bewegt, jedoch langsamer aufgrund des höheren Brechungsindex des zweiten Mediums. Da sich die Wellenfront nun mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt, beugt sie sich in das zweite Medium hinein, wodurch sich der Ausbreitungswinkel ändert. Im Gegensatz dazu lässt sich mit der Teilchentheorie nur schwer erklären, warum Lichtteilchen ihre Richtung ändern sollten, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergehen. Befürworter dieser Theorie gehen davon aus, dass eine spezielle Kraft, die senkrecht zur Grenzfläche wirkt, die Geschwindigkeit der Teilchen beim Eintritt in das zweite Medium verändert. Über die genaue Art dieser Kraft wurde lediglich spekuliert, und es gab nie Beweise für diese Theorie.