Daß das Licht als elektromagnetische Welle zu verstehen ist, galt als eine der wichtigsten physikalischen Erkenntnisse des vorigen Jahrhunderts: Eine im Vakuum mit konstanter Geschwindigkeit c = 3 · 108m/s fortschreitende, transversale Welle, deren Amplitude durch die periodisch variierenden Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes dargestellt wird. Die Maxwellsche Theorie lieferte letztlich die Krönung für dieses Bild (1873). Von der Optik her bekannte Erscheinungen wie Beugung, Interferenz und Brechung sind charakteristisch für die Wellennatur des Lichts.
Daß das Licht als elektromagnetische Welle zu verstehen ist, galt als eine der wichtigsten physikalischen Erkenntnisse des vorigen Jahrhunderts: Eine im Vakuum mit konstanter Geschwindigkeit c = 3 · 108m/s fortschreitende, transversale Welle, deren Amplitude durch die periodisch variierenden Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes dargestellt wird. Die Maxwellsche Theorie lieferte letztlich die Krönung für dieses Bild (1873). Von der Optik her bekannte Erscheinungen wie Beugung, Interferenz und Brechung sind charakteristisch für die Wellennatur des Lichts.
Das grundlegende Verständnis von Licht einerseits und massebehafteten Teilchen andererseits beruht auf dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser Dualismus besagt, daß auf der einen Seite das Licht, das dem Kenner der klassischen Physik nur in der Form einer elektromagnetischen Welle begegnet, je nach den äußeren Beobachtungsbedingungen auch wie ein örtlich konzentriertes Teilchen erscheinen kann, und umgekehrt, daß ein korpuskulares, massebehaftetes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt, die aber nur bei geeigneten Versuchsbedingungen in Erscheinung treten. Die historisch wichtigsten experimentellen Nachweise zu diesem Phänomen haben wir in Kapitel 1 dargelegt. Es zeigt sich, daß diese Eigenschaften keine sich widersprechende Erscheinungsformen von Licht bzw. Teilchen sind, sondern daß man sie als zwei sich ergänzende Charakteristika verstehen muß in dem Sinne, daß bei Auftreten der Teilcheneigenschaften die Beschreibung als Welle keinen physikalischen Sinn ergibt und umgekehrt, daß im Fall des Nachweises der Welleneigenschaft das Korpuskelbild zu Widersprüchen führt.
Der Welle-Teilchen-Dualismus ist kein Naturgesetz – er ist ein didaktisches Artefakt. Das semiklassische Modell (klassisches elektromagnetisches Feld, quantisierte Materie) ist für die gesamte Elektrotechnik-Ausbildung nicht nur ausreichend, sondern physikalisch präziser als die übliche Dualismus-Darstellung. Das Paper beschäftigt sich ausschließlich mit masselosen Quantenobjekten – elektromagnetischer Strahlung und deren Wechselwirkung mit Materie. Drei experimentelle Belege bilden das Fundament: Fowler (1931) zeigte, dass die Grenzfrequenz des Photoeffekts bei T > 0 K ausschmiert – die Diskretheit sitzt in der Fermi-Dirac-Statistik der Materie, nicht im Lichtfeld. H. Hübel (1987) demonstrierte diesen Zusammenhang im Schulversuch. Klaus H. Herrmann (1994) lieferte den vollständigen festkörperphysikalischen Rahmen: Der äußere Photoeffekt ist ein Drei-Stufen-Prozess aus Eindringtiefe der Strahlung, Austrittstiefe der Elektronen und Austrittsarbeit – an keiner Stelle braucht man ein Lichtteilchen. Ein einfaches Kamera-Doppelspalt-Experiment (150 Euro, Küchentisch) illustriert die drei Phasen sauber getrennt: Emission als quantisierter Materievorgang, Propagation als klassische Maxwell-Welle, Detektion durch die Bandstruktur des Silizium-Sensors. Die Grenze des Modells liegt bei Intensitätskorrelationen zweiter Ordnung – weit jenseits aller elektrotechnischen Anwendungen. Licht ist die Sprache der Elektronen. Die Diskretheit bei der Wechselwirkung kommt nicht aus dem Feld – sie kommt aus der Materie.
PHYSIK III behandelt im ersten Teil die Optik. Nach einem historischen Exkurs wird zunächst die Lichtausbreitung auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen behandelt. Die Diskussion der Methoden und Grenzen der klassischen geometrischen Optik führt schließlich zu den speziellen Wellenphänomenen wie der Beugung, der Interferenz oder der Polarisation. Der zweite Teil führt in die ungewöhnliche Welt der Quantenerscheinungen ein. Es sind die Quantenaspekte des Lichtes und die Wellenaspekte der Teilchen, die hier anhand des lichtelektrischen Effekts, des Hohlraumstrahlers, des Lasers sowie zahlreicher anderer Experimente diskutiert werden. PHYSIK III kombiniert die modernen optischen Anwendungen mit den klassischen Grundlagen, bereitet den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenphysik vor und enthält alle für das Vordiplom wesentlichen Inhalte des dritten Semesters.
Die Optik ist die Lehre vom Licht, seiner Ausbreitung, dem Aufbau optischer Instrumente und allen den Erscheinungen, die mit dem Auge wahrgenommen werden können. Heute wird zwischen der klassischen Optik und der Quantenoptik unterschieden. In der klassischen Optik wird das Licht als Welle verstanden. Seit Beginn dieses Jahrhunderts sind allerdings viele Experimente durchgeführt worden, deren Deutung nicht im Rahmen der Wellentheorie möglich ist. Zur Erklärung muß angenommen werden, daß das Licht sich wie ein Teilchen, als Korpuskel, dem sogenannten Lichtquant, verhält. Dieses Bild ist immer dann anzuwenden, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, also zum Beispiel bei der Absorption und Emission, aber auch bei der Streuung von Licht.
ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.
ZusammenfassungLaser emittieren monochromatische kohärente elektromagnetische Strahlung im riesigen Wellenlängenbereich, der von den Millimeterwellen via Licht bis zur Röntgen-Strahlung reicht. Eine Übersicht über das elektromagnetische Spektrum in diesem Bereich gibt Tab. A 1 dieses Buches. Als neuartige Strahlungsquelle mit bisher unerreichten Eigenschaften revolutioniert der Laser die klassische Optik und verwandte Gebiete. Fast alle Begriffe der klassischen Optik und der Quantentheorie des Lichtes bekommen dadurch eine größere, ja sogar neue Bedeutung: elektromagnetische Wellen und Photonen, Beugung, Interferenz, Kohärenz, Polarisation, Photonenstatistik, Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Elementarteilchen, Atomen, Molekülen, kondensierte Materie, Plasmen, etc. Im vorliegenden Kapitel wollen wir uns nur mit den Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung befassen, welche für viele vielleicht ungewohnt, jedoch für Laser relevant sind: Wellen- und Teilchennatur, Kohärenz und Photonenstatistik. Betreffend die für die Laser sonst wichtigen Begriffe der Optik, wie z. B. Beugung, Interferenz, Polarisation, verweisen wir auf Lehrbücher der Optik [Born 1933/1981, Born & Wolf 1959, Ditchburn 1976, Klein & Furtak 1988, Kneubühl 1994, 1997, Lipson & Lipson 1969, Meyer-Arendt 1972, Möller 1988, Schilling 1980].