Das Doppelleben des Lichtes

Glühlampe

Bildbeschreibung:
Glühlampe

"Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage ,Was sind Lichtquanten?" nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich." Albert Einstein, 1951

Das Augenlicht ist wohl für jeden von uns der teuerste unter den fünf Sinnen. Wir orientieren uns hauptsächlich mit den Augen, wir nehmen Informationen vor allem visuell auf, Licht und Farbe beeinflussen Stimmungen und Gefühle. Die Hormonausschüttung ist gekoppelt mit der Stärke der Sonneneinstrahlung. "Mehr Licht!" sollen Goethes letzte Worte gewesen sein.

Dieser Satz könnte auch der Leitspruch der modernen Physik sein. Licht ist zum wichtigsten Werkzeug der physikalischen Forschung geworden. Sein Siegeszug geht quer durch alle Disziplinen.

Teilchen oder Welle?

Das Licht ist inzwischen ein ausführlich erforschtes Medium, aber es bewahrt bis heute eine Faszination, die die Gelehrten schon vor Jahrhunderten beschäftigte. Bereits zu Anfang des 18. Jahrhunderts tobte zwischen Isaac Newton und Christian Huygens ein erbitterter Streit darüber, ob Licht aus Wellen oder Teilchen bestehe. Huygens glaubte an die Wellentheorie, Newton und seine Schüler hingen der Korpuskulartheorie an.

Der Streit wurde damals nicht entschieden, er geriet einfach in Vergessenheit. Nach ihm gab es in der Optik ein Jahrhundert lang keine großen Neuigkeiten, und die Physiker fanden andere Phänomene der Physik, mit denen sie sich lieber beschäftigten. Die Natur des Lichts kam erst wieder zu Beginn des 19. Jahrhunderts auf die Tagesordnung. Inzwischen hatte sich Newtons Ansicht weitgehend durchgesetzt. Licht, so dachte man, bestehe einfach aus schnell fliegenden Teilchen. Doch durch Versuche unter anderem von Thomas Young, der Licht auf einen Doppelspalt fallen ließ, zeigte sich, dass es in manchen Fällen auch Wellencharakter besitzt. Im Zuge der aufkommenden Elektrodynamik erkannte man zudem, dass Licht eine Form der elektromagnetischen Strahlung ist.

Bis heute bleibt das Phänomen Licht ein Rätsel, auch wenn die Theoretiker im Rahmen der Quantenelektrodynamik sein Verhalten jetzt mathematisch beschreiben können. Manchmal verhält es sich wie eine Welle, manchmal wie ein Teilchenstrom. Aber es ist weder das eine noch das andere: es ist ein Wesen aus der Quantenwelt und entzieht sich unserer Logik. Licht lässt sich nicht festhalten, die Lichtteilchen - die sogenannten Photonen - sind masselos und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Trotzdem ist dieses wechselhafte Medium hervorragend geeignet als Sonde, als Detektor, als Informationsträger und - bei hinreichender Intensität - auch als Erzeuger höchster mechanischer Kräfte.

Die Bändigung des Lichts

Vieles weiß man heute über das Licht, und je mehr man darüber weiß, desto besser kann man es zähmen. Es beginnt schon bei seiner Erzeugung: Elektromagnetische Strahlung und damit auch Licht entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen beschleunigt werden. Dies können Elektronen sein, die in der Sonne oder in den Atomen eines glühenden Drahtes oszillieren oder in der Antenne eines Rundfunksenders. Normalerweise sind diese Schwingungen ungeordnet; entsprechend besteht das so erzeugte Licht aus einer Vielzahl von Einzelwellen, die sich in Richtung und "Phase", oft auch in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Ihre Überlagerung erscheint uns dann als Licht einer bestimmten Farbe. Als Werkzeug der physikalischen Forschung ist diese "unordentliche" Art von Licht nicht besonders gut geeignet.

Wissenschaftler bedienen sich deshalb meist einer geordneten Art des Lichts. Bei diesem laufen alle Lichtwellen parallel und im Gleichtakt, das heißt, in der gleichen Phase. Man nennt dieses Licht "kohärent", und zu seiner Erzeugung ist ein Laser ideal geeignet. Betrachtet man dieses regelmäßige Licht im Teilchenbild, so besteht es aus einem Strahl von Lichtteilchen, den Photonen, mit der gleichen Energie, die alle parallel fliegen.

Erzeugt wird dieses kohärente Licht auf eine besondere Art und Weise. Albert Einstein hat bereits im Jahr 1916 das Phänomen vorhergesagt, das dem Laser zu Grunde liegt: die stimulierte Emission. Vorher hatte man geglaubt, es gebe nur zwei Arten, wie ein Atom mit einem Photon umgehen kann: Entweder es schluckt das Photon und wird dabei auf ein höheres Energieniveau gehoben (angeregt), oder es sendet ein Photon aus und fällt dabei auf ein niedrigeres Energieniveau. Einstein erkannte, dass es noch eine dritte Art der Wechselwirkung gibt: Ein Photon mit passender Energie kann ein angeregtes Atom dazu bringen, dass es auf ein niedrigeres Niveau fällt und dabei ein Photon mit der gleichen Energie wie das einfallende aussendet. In der normalen Welt passiert dies relativ selten, denn da sind wesentlich mehr Atome in niedrigen als in angeregten Energiezuständen.

Im Laser versetzt man eine Vielzahl von Atomen künstlich in einen angeregten Zustand, um sie anschließend durch stimulierte Emission gezielt zur Abgabe ihrer Photonen zu zwingen. So erhält man Licht einer einzigen, genau festgelegten Wellenlänge, das man beispielsweise mit Hilfe eines Spiegelsystems zu einem eng gebündelten Strahl formt.

Die Zukunft gehört dem Werkzeug Licht

Mit diesem Trick ist es gelungen, das ach so flüchtige Licht zu bändigen; das Photon wurde zum Werkzeug des Quantenzeitalters. Seit der erste Laser 1960 von Theodore Maiman und Nikolai Basov gebaut wurde, verfeinerten Physiker und Ingenieure seine Technik so sehr, dass es heute fast keine Aufgabenstellung mehr gibt, der ein Laser nicht gewachsen ist. Laser gibt es heute für praktisch alle Wellenlängen des sichtbaren, infraroten und nahen ultravioletten Bereichs; der Schritt zum Röntgenlaser wird soeben vollzogen. Dauerstrichlaser erzeugen kontinuierlich stabile Lichtstrahlen, Pulslaser hingegen schießen Lichtscheibchen extremster Kürze ab. Die Größenordnungen der Apparaturen sind ebenfalls vielfältig: Sie reichen vom Diodenlaser, klein wie ein Stecknadelkopf, bis zu gigantischen Laseranlagen mit baumdicken, kilometerlangen Verstärkern. So ist das "wilde" Licht zum Haustier des Informationszeitalters geworden - ein universelles Instrument, unentbehrlich für Messungen, für Experimente, in Technik und Alltag.

Die Sache mit der Interferenz

Interferenz

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Interferenz. Wenn parallele Wasserwellen auf eine Wand mit zwei Löchern treffen, überlagern sich auf der anderen Seite der Wand zwei halbkreisförmige Wellen zu einem Interferenzmuster. Treffen zwei Wellenberge oder -täler zusammen, so verstärken sie sich gegenseitig. Ein Berg und ein Tal löschen sich dagegen aus. Dieses Phänomen lässt sich auch bei Licht- und Materiewellen beobachten.

Ein grundlegender Versuch, bei dem sich Licht eindeutig als Welle und nicht als Teilchen verhält, ist die Beugung am Doppelspalt. Der Versuchsaufbau ist einfach: eine Wand mit zwei dünnen Schlitzen wird mit regelmäßigem ("kohärentem") Licht bestrahlt. In einigem Abstand zu der ersten Wand befindet sich eine zweite, auf die das Licht fällt, das durch die beiden Schlitze getreten ist.

Statt der Lichtteilchen könnte man sich auch kleine Gewehrkugeln denken, die auf die beiden Schlitze treffen. Die meisten Kugeln würden von der Wand abprallen und nur einige durch einen der beiden Schlitze hindurchgehen. Auf der gegenüberliegenden Wand wären zwei Linien zu erkennen, die von dem Aufprall dieser Kugeln herrühren. Direkt neben den beiden Hauptlinien gäbe es auch noch einige Aufprall-Stellen, da ein paar Kugeln an den Kanten der Schlitze abprallen und dadurch zur Seite abgelenkt werden. Dieses Bild beobachtet man jedoch nicht!

Was man tatsächlich sieht, ist in der Abbildung dargestellt. Auf der zweiten Wand entsteht ein regelmäßiges Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen. Der hellste Streifen liegt sonderbarerweise genau in der Mitte zwischen den beiden Spalten. Zu erklären ist dieses Ergebnis nur, wenn man davon ausgeht, dass das Licht sich hier als Welle verhält. Wie eine Meeresbrandung schwappt das Licht zunächst gegen die Wand mit den beiden Schlitzen. Von den Schlitzen breiten sich dann in den Raum zwischen den beiden Wänden kreisrunde Wellen aus. Wie bei Wasserwellen, die sich überlagern, gibt es Bereiche, an denen sich gerade ein Wellenberg und ein Wellental gegenseitig auslöschen, und Stellen, an denen zwei Wellenberge zusammentreffen und sich verstärken. So entstehen die dunklen bzw. hellen Stellen auf der hinteren Wand. Diesen Effekt der Überlagerung von Wellen nennt man "Interferenz".

Photoeffekt

Solarzellen

Bildbeschreibung:
Trifft kurzwelliges Licht auf eine Metalloberfläche, kann es dort Elektronen freisetzen. Deren Anzahl ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Dies lässt sich mit der Teilchennatur des Lichts erklären: Jedes freigesetzte Elektron hat genau ein Lichtteilchen ("Photon") absorbiert. Das Licht wirkt also in diesem Fall wie ein Strom winziger Gewehrkugeln, die Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Albert
Einstein formulierte auf Grund dieses so genannten Photoeffekts die Idee der "Lichtquanten". Der Photoeffekt findet zum Beispiel in Solarzellen aus Silizium Anwendung, wo das Sonnenlicht im Material Elektronen auslöst, die schließlich einen Stromfluss bewirken. (Quelle: Siemens)

Trifft kurzwelliges Licht auf eine Metalloberfläche, kann es dort Elektronen freisetzen. Deren Anzahl ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Dies lässt sich mit der Teilchennatur des Lichts erklären: Jedes freigesetzte Elektron hat genau ein Lichtteilchen ("Photon") absorbiert. Das Licht wirkt also in diesem Fall wie ein Strom winziger Gewehrkugeln, die Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Albert
Einstein formulierte auf Grund dieses so genannten Photoeffekts die Idee der "Lichtquanten". Der Photoeffekt findet zum Beispiel in Solarzellen aus Silizium Anwendung, wo das Sonnenlicht im Material Elektronen auslöst, die schließlich einen Stromfluss bewirken.

Das Prinzip des Lasers

Laserstrahlen

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Laserstrahlen, aufgefächert durch ein mikroskopisches Gitter.
(Quelle: Institut für Neue Materialien / VDI-TZ)

In einem Gas befinden sich fast alle Atome oder Moleküle im Zustand möglichst geringer Energie. Pumpt man durch geeignete Maßnahmen - etwa durch das Einstrahlen von Licht oder durch eine elektrische Entladung - Energie in das Gas hinein, nehmen die Teilchen des Gases die Energie auf und gehen in einen angeregten Zustand über. Strahlt man nun passende Photonen auf die Gasteilchen, so geben diese die gespeicherte Energie in Form eines Photons wieder ab. Das besondere ist, dass das abgestrahlte Photon dieselbe Richtung und Energie hat wie das eingestrahlte. Parallele Spiegel an den Enden des Lasers reflektieren das Licht hin und her. Dabei treffen die Photonen auf weitere angeregte Teilchen und zwingen diese zur Abgabe der gleichen Energie. So werden immer mehr Photonen frei, es entsteht ein Lawineneffekt. Der Laserstrahl aus parallelen Lichtwellen wird durch einen der Spiegel, der teildurchlässig ist, nach außen gestrahlt.

Laserprinzip

Bildbeschreibung:

Links: Atome in einem Gas, in das Energie gepumpt wurde. Die dadurch angeregten Atome sind grün, die mit niedriger Energie silbern dargestellt. Geht ein Atom von einem angeregten Zustand in einen mit geringerer Energie über, so sendet es ein Photon aus. In welche Richtung des Photon fliegt, ist hier dem Zufall überlassen.

Rechts: Laserprinzip der stimulierten Emission. Die an den seitlichen Spiegeln reflektierten Photonen veranlassen angeregte Atome (grün), ein Photon in der gleichen Richtung und Phase wie das einfallende auszusenden. Die neu entstandenen Photonen treffen dann wieder auf andere angeregte Atome - ein Lawineneffekt entsteht. (Grafiken: I&P)

Licht einer Lampe

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Licht einer Lampe: viele Sinuswellen mit unterschiedlicher Phase und
Wellenlänge, die in alle Richtungen auseinanderlaufen.

Licht eines Lasers

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Licht eines Lasers: parallele Sinuswellen mit gleicher Wellenlänge, die alle im Gleichtakt ("in Phase") schwingen. (Grafiken: I&P)