Die historische Auseinandersetzung zwischen zwei Physikern: Newton und Huygens Die Newton’sche Teilchentheorie des Lichts Das Reflexions- und das Brechungsgesetz beschreiben zwar die Richtung des reflektierten und des gebrochenen Strahls, sie geben aber keine Auskunft darüber, warum das Licht an der Körperoberfläche gerade so reflektiert und gebrochen wird. Um die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht besser zu verstehen, müssen wir wissen, was Licht ist. Isaac Newton entwickelte im Zuge seiner Untersuchungen zu optischen Phänomenen um 1672 eine Theorie über die Natur des Lichts. Danach sendet eine Lichtquelle eine große Menge winziger Lichtteilchen aus, die mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig durch den Raum fliegen und beim Auftreffen auf die Netzhaut des Auges eine Helligkeitsempfindung hervorrufen. Fällt ein Strahl dieser Lichtteilchen auf die glatte Oberfläche eines durchsichtigen Körpers, so werden diese teils reflektiert, teils dringen sie in den Körper ein und bewegen sich im Inneren des Körpers weiter. Newton nahm nun an, dass die reflektierten Teilchen an der Oberfläche einen elastischen Stoß erleiden. Es lässt sich dann die Bahn eines schräg auftreffenden Teilchens leicht angeben. Wir denken uns den Geschwindigkeitsvektor des einfallenden Teilchens in zwei Komponenten parallel und senkrecht zur Körperoberfläche zerlegt. Da die Masse des Lichtteilchens sehr viel kleiner ist als die Masse der Atome, wird die senkrechte Geschwindigkeitskomponente wie bei einem zu Boden fallenden Gummiball umgekehrt. Die parallele Geschwindigkeitskomponente wird durch den elastischen Stoß nicht beeinflusst. Setzt man nach dem Stoß die beiden Geschwindigkeitskomponenten wieder zusammen, so erhält man den Geschwindigkeitsvektor des wegfliegenden Teilchens. Das Lichtteilchen bewegt sich so, wie es das Reflexionsgesetz vorschreibt (97.2). Aber auch andere Erscheinungen werden durch das Newton’sche Lichtmodell richtig beschrieben. So ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts im Vakuum eine Selbstverständlichkeit. Auch die Abnahme der Beleuchtungsstärke bei einer „punktförmigen“ Lichtquelle (Kerze) mit dem Quadrat der Entfernung lässt sich leicht erklären. Da die Lichtteilchen gleichmäßig nach allen Richtungen davonfliegen, durchsetzen sie im doppelten Abstand von der Quelle bereits die vierfache Fläche. Die Beleuchtungsstärke ist ein Maß für die Zahl der Teilchen, die pro Sekunde auf einen Quadratmeter einer Fläche auffallen, die senkrecht zur Strahlenrichtung steht. Daher muss die Beleuchtungsstärke bei Verdoppelung des Abstandes auf ein Viertel abnehmen (97.3). Einige Widersprüche kann die Newton’sche Teilchentheorie des Lichts aber nicht klären: a) Auf jene Lichtteilchen, die in einen durchsichtigen Körper eindringen, wirken nach Newton anziehende Kräfte. Diese gehen von den Atomen des Körpers aus und besitzen eine kurze Reichweite. Trifft ein Lichtteilchen auf den Körper, wird es an der Körperoberfläche von diesen Kräften erfasst und in den Körper hineingezogen. Dadurch nimmt die senkrechte Geschwindigkeitskomponente zu, während die parallele Geschwindigkeitskomponente unverändert bleibt. Im Körper wirken die anziehenden Kräfte von allen Seiten auf das Lichtteilchen ein und heben einander auf. Das Lichtteilchen bewegt sich daher im Körper unbeschleunigt weiter, und zwar mit einer größeren Geschwindigkeit als im Vakuum. Erst etwa 150 Jahre nach Newton gelang die Messung der Lichtgeschwindigkeit in Wasser. Sie erwies sich in Materie kleiner als in Luft im Widerspruch zu Newtons Annahme (siehe S. 61). b) Selbst starke Lichtstrahlen können einander ungestört durchdringen. Dies ist im Rahmen eines mechanischen Teilchenmodells nicht erklärbar. Die Lichtteilchen würden mit einander kollidieren und unterschiedlich stark abgelenkt. c) Licht wird an der Körperoberfläche zum Teil reflektiert und zum Teil dringt es in den Körper ein. Die Lichtteilchen müssten also teilweise angezogen und teilweise abgestoßen werden. Eine Erklärung dafür fehlte. 97.1 Das Bild zeigt Newton als jungen Mann. Newtons Werk gilt auch heute noch als eine der wichtigsten Grundlagen der Physik. Zwischen seinem 22. und 25. Lebensjahr entwickelte er die Gravitationstheorie, die grundlegenden Werke zur Mechanik, die Optik und die Infinitesimalrechnung. 97.2 Zur Herleitung des Reflexionsgesetzes nach Newtons Lichtmodell Lot v’ v vII vII’ ’ Luft Glas v v ’ 97.3 Mit Newtons Lichtmodell lässt sich leicht verstehen, weshalb bei einer punktförmigen Lichtquelle die Beleuchtungsstärke mit der Entfernung abnimmt. Lichtquelle Q 1 m 2 m 3 m r 97 Theorieentwicklung 1 Licht – Wandel des physikalischen Weltbilds Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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