Ein Verständnis sowohl der geometrischen als auch der physikalischen Optik ermöglicht es uns, Phänomene zu untersuchen, die sowohl aus Teilchen- als auch aus Wellenaspekten des Lichts resultieren.
Eigenschaften von Licht
Licht wandert als elektromagnetische Wellen durch den Weltraum und als Partikel. Und folglich Teilchen-Welle-Dualität, wenn Physiker mit Optik (dem Studium des Lichts) arbeiten, müssen sie sich die Lichtausbreitung je nach Anwendung auf zwei Arten vorstellen.
Wenn man an Lichteigenschaften wie Interferenz, Polarisation oder Farbe denkt, ist die Beschreibung von Licht als transversale Wellenfronten der richtige Weg. Aber wenn Sie ein Teleskop oder eine Korrekturlinse bauen und bestimmen, wie Licht reflektiert, gebrochen und übertragen, ist die beste Option, sich das Licht als einen Strahl von Teilchen vorzustellen, der sich in geraden Linien bewegt, genannt Strahlen.
Wellenoptik und die Wellentheorie des Lichts
Das Studium der physikalischen Optik nutzt die Wellennatur des Lichts, um Phänomene wie Interferenzmuster zu verstehen, die durch Lichtwellen verursacht werden, die durch Beugungsgitter gehen, und Spektroskopie. Die Physikalische Optik wurde im 19. Jahrhundert nach mehreren wichtigen Entdeckungen, einschließlich der Existenz von Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums von Sir Frederick William Herschel, als Feld in den Vordergrund gestellt.
In der physikalischen Optik wird Licht als transversale Wellenfront dargestellt, wie die Sinus- oder "S-Kurve", die auch eine durch das Wasser laufende Welle mit Wellenbergen und -tälern beschreibt (hohe und Tiefpunkte). Bei diesem Modell folgen Lichtwellen den gleichen Regeln wie andere Transversalwellen – ihre Frequenzen und Wellenlängen sind aufgrund der Wellengeschwindigkeitsgleichung umgekehrt proportional, und die Wellenfronten überlagern sich dort, wo sie schneiden.
Beispielsweise stören zwei sich überlappende Kuppen (Hochpunkte) oder zwei Täler (Tiefpunkte) konstruktiv, wodurch die Gesamtkuppe höher bzw. die Gesamttalsohle niedriger wird. Wo die Wellenfronten phasenverschoben aufeinandertreffen – Kamm und Tal zusammen – interferieren sie destruktiv, die sich ganz oder teilweise aufheben.
Das Betrachten von Licht als Welle ist auch der Schlüssel zum Verständnis der Unterschiede zwischen den Lichtarten im elektromagnetischen Bereich Spektrum, wie der Unterschied zwischen Radio-, sichtbarer und Röntgenstrahlung, da diese Typen nach ihrer Welle klassifiziert werden Eigenschaften. Dies bedeutet auch, dass die Behandlung von Licht als Welle in der physikalischen Optik der Farbe wichtig ist, da dies eine Teilmenge des sichtbaren Teils des Spektrums ist.
Geometrische Optik und Raytracing
In der geometrischen Optik nutzen Physiker die Teilchennatur des Lichts, um seinen Weg in geraden Linien, den sogenannten Strahlen, darzustellen. Geometrische Optik wird schon viel länger verwendet als physikalische Optik, da die Leute gelernt haben, wie man Geräte entwickelt, die biegen und fokussieren Sie Licht für Zwecke wie die Herstellung von Teleskopen und Korrekturlinsen, lange bevor sie verstanden haben, welches Licht war. Um 1600 war das Schleifen von Linsen zur Unterstützung des menschlichen Sehens alltäglich.
Lichtstrahlen werden als gerade Linien gezeichnet, die von einer Lichtquelle ausgehen und die Richtung angeben, in die sich das Licht ausbreitet. Ein Strahlendiagramm wird verwendet, um die Wege mehrerer repräsentativer Lichtstrahlen zu zeigen, während sie reflektiert, gebrochen und durchgelassen werden verschiedene Materialien, um Messungen wie Brennweite und Größe und Orientierung der resultierenden Bild.
Durch das Verfolgen von Lichtstrahlengängen können Physiker optische Systeme besser verstehen, einschließlich der Bilderzeugung in dünnen Linsen und Planspiegeln, optischen Fasern und anderen optischen Instrumenten. Aufgrund ihrer langen Geschichte als Feld hat die geometrische Optik zu mehreren wohlbekannten Gesetzen darüber geführt, wie Licht Bounces und Biegungen, vielleicht am bekanntesten das Brechungsgesetz (Snell-Gesetz) und das Reflexionsgesetz.