Vorwort
MitderErstellungdervorliegendenfünftenAuflagewurdendreiübergreifendeZiele verfolgt:dieVerbesserungdidaktischerDetails,dieModernisierungderDarstellungsweise(zumBeispielgibtesnunetwasmehrüberPhotonen,ZeigerundFourieroptik) unddieAktualisierungdesInhalts,vorallemimHinblickaufneueTechnologien(zum BeispielgibtesnuneinenAbschnittzuAtominterferometernundeinenüberMetamaterialien).DieOptikisteinsichschnellentwickelndesGebiet,unddievorliegende AuflagesolldemLesereinenaktuellenEinstiegermöglichen,wobeiderFokusaufder Didaktikliegt.
DabeigabesmehrereZielsetzungen:(1)DiezentraleRollederatomarenStreuprozessebeifastallenAspektenderOptiksollteklarherausgearbeitetwerden.(2)Die grundlegendquantenmechanischeNaturdesLichts(tatsächlichvonallenQuantenteilchen)solltevonBeginnaneingeführtwerden,auchwenndasBuchmethodischeher traditionellangelegtist.DaherwirdderLesernebendenvertrautenPhotonenbildern auchElektronen-undNeutronenbeugungsmusterfinden.(3)DieFouriertheorieals einsehrmächtigesWerkzeug,dasindermodernenAnalysesoweitverbreitetist, solltebereitssehrfrüheingeführtwerden.AusdiesemGrundwerdendieKonzepte derRaumfrequenzundderräumlichenPeriodebereitsinKapitel2vorgestelltund grafischveranschaulicht.
AufWunschvonStudierendenhabeichüberdengesamtenTextmehralseinhundert vollständigausgearbeiteteBeispieleeingestreut,indenendieimjeweiligenAbschnitt behandeltenPrinzipienangewendetwerden.AußerdemsindzweihundertneueAufgaben(ohneLösungen)indenentsprechendenÜbungsabschnittenamEndederKapitel hinzugekommen.LehrendekönnenaufAnfrageeinevollständigeZusammenstellung sämtlicherAufgabenlösungenerhalten.NachdemMotto„EinBildsagtmehralstausendWorte“wurdederTextdurchzahlreicheneueDiagrammeundFotosergänzt.Die didaktischeStärkedesBuchesliegtdarin,dassderbehandelteStofftatsächlicherklärt wird.DiesemAnsatzbleibtauchdievorliegendeAuflagetreu.
SeitVeröffentlichungderviertenAuflagehabeichjedesJahrOptikunterrichtet,und dabeisindmireinigeStellenimBuchaufgefallen,diezumVorteilderStudierenden nochklarerformuliertwerdenkönnten.AusdiesemGrundwerdenindervorliegenden ÜberarbeitungDutzendekleineFallstrickeangesprochenundbeidenHerleitungen
vieleZwischenschrittemitangegeben.AlleZeichnungenwurdeneingehendaufKorrektheitgeprüft.Einigewurdengeändert,umdieVerständlichkeitzuverbessern.
SubstanzielleErweiterungenwurdenanfolgendenStellenvorgenommen:InKapitel2(DieWellenbewegung)wurdeeinAbschnittüber verdrilltesLicht hinzugefügt.
InKapitel3(TheoriedesElektromagnetismus,PhotonenundLicht )gibtesnuneineelementareBehandlungderDifferentialoperatorenDivergenzundRotation,eine zusätzlicheDiskussionüberPhotonensowieUnterabschnittezu gequetschtemLicht undzur negativenBrechung.Kapitel4(DieAusbreitungdesLichts)wurdeergänzt umKommentarezuroptischenDichteundzuelektromagnetischenRandbedingungen,desweiterenumeineausführlichereDarstellungabklingenderWellensowieum Unterabschnittezur BrechungvonLichtanPunktquellen,zur negativenBrechung, zur StrahlkonstruktionnachHuygens undzur Goos-Hänchen-Verschiebung.Kapitel5 (GeometrischeOptik )enthältzahlreicheneueZeichnungen,diedasVerhaltenvon LinsenundSpiegelnillustrieren,außerdemzusätzlicheAnmerkungenzurFaseroptik sowieUnterabschnittezu virtuellenObjekten,zur StrahlverfolgunginderBrennebene undzu mikrostrukturiertenFasern.InKapitel6,indemdieBehandlungdergeometrischenOptikweitergeführtwird,gibteseineneueDarstellungdereinfachen StrahlverfolgungdurcheinedickeLinse.Kapitel7(SuperpositionvonWellen)bietet einenneuenAbschnittüber negativePhasengeschwindigkeiten,einedeutlicherweiterteBehandlungderFourieranalysemitvielenDiagrammen,die–ohneRechnung–zeigen,wiedieMethodefunktioniert,undeineDiskussiondesoptischenFrequenzkamms(dessenErfinder2005mitdemNobelpreisausgezeichnetwurden).InKapitel8 (Polarisation)wirddargelegt,wiediemächtigeZeigermethodeangewendetwerden kann,umpolarisiertesLichtzuanalysieren.AußerdemgibteshiereineneueDiskussionüberdasTransmissionsverhaltenvonPolarisatorenundeinenUnterabschnittüber WellenfrontenundStrahlenineinachsigenKristallen.Kapitel9(Interferenz)beginnt miteinerkurzenDiskussionüberBeugungundKohärenzimZusammenhangmitdem ExperimentvonYoung.EsgibtmehrereneueUnterabschnitte,darunter Nahfeld/ Fernfeld, InterferenzvonTeilchen und MessungderKohärenzlänge.Kapitel10(Beugung)entälteinenneuenUnterabschnitt ZeigerunddieAmplitudedeselektrischen Feldes.DutzendevonneuhinzugekommenenDiagrammenundFotosillustriereneineVielzahlvonBeugungsphänomenen,Kapitel11(Fourieroptik )umfasstnuneinen Unterabschnitt ZweidimensionaleBilder,indemdurcheinebemerkenswerteSerie vonIllustrationengezeigtwird,wiedurchKombinationvonräumlichenFrequenzkomponentenBildererzeugtwerden.Kapitel12(GrundlagenderKohärenztheorie) enthältmehrereneueUnterabschnittevoneinführendemCharakter,darunter Muster undKohärenz sowie BeugungundverschwindendeStreifen.DazugibteseineReihevonzusätzlichen,sehrinstruktivenAbbildungen.InKapitel13(ModerneOptik ) wurdedieBehandlungvonLasernerweitertundaktualisiert;eswurdenTabellenund Abbildungenergänzt,ebensoeinigeneueUnterabschnitte,darunter Optoelektronische Bildrekonstruktion
DievorliegendefünfteAuflagebietetinerheblichemUmfangneuesMaterial,das besondersfürLehrendeaufdemGebietderOptikvonInteresseseindürfte.Beispielsweisekönnenwirnun,zusätzlichzuebenen,sphärischenundzylindrischenWellen, auchschraubenförmigeWellenerzeugen,fürdiedieFlächekonstanterPhasewährend derPropagationdurchdenRaumeineWendelflächebildet(Abschnitt2.11).
AbgesehenvonderMathematikbereitetesStudierendenoftSchwierigkeitenzu verstehen,wasdieOperatoren Divergenz und Rotation physikalischbedeuten.Diesem ProblemwurdeindervorliegendenÜberarbeitungRechnunggetragen,indemim RahmenvonAbschnitt3.1.5insehreinfacherWeiseerläutertwird,wasdieOperatoren eigentlichmachen.
DasPhänomender negativenBrechung istGegenstandaktuellerForschung.Einekurze EinführungindiephysikalischenGrundlagen,diedabeieineRollespielen,istnunin Kapitel4zufinden.
HuygensentwarfeineMethodezurKonstruktiongebrochenerStrahlen,dieschonfür sichgenommenihrenReizhat,dochsiebietetzudemeinenbequemenZugang,umdie BrechunginanisotropenKristallenzuverstehen.
WennmandieWechselwirkungvonelektromagnetischenWellenmitMaterieuntersucht(beispielsweisebeiderHerleitungderfresnelschenGleichungen),dannmacht manGebrauchvonden Randbedingungen.DamanchederStudierendenvielleicht nochnichtsehrvertrautmitderTheoriedesElektromagnetismussind,enthältdiefünfteAuflageeinekurzeDiskussionderphysikalischenUrsprüngedieserBedingungen (Abschnitt4.6.1).
DasBuchbietetnunaucheinekurzeEinführungder Goos-Hänchen-Verschiebung,die beiderTotalreflexionauftritt(Abschnitt4.7.1).DiesisteinsehrinteressantesStück Physik,dasineinführendenAbhandlungenhäufigübergangenwird.
Die StrahlverfolgunginderBrennebene isteineunkomplizierteMethode,umden StrahlenverlaufinkompliziertenLinsensystemenzukonstruieren.DieBehandlung diesereinfachen,abermächtigenMethodewurdeebenfallsneuindievorliegende Auflageaufgenommen;siefunktioniertgutimSeminarraumundisteinpaarMinuten derVorlesungszeitwert.
DurchmehrereneueDiagrammewirdnunklarer,wasesmitvirtuellenBildernund virtuellenObjekten aufsichhat,dievonLinsensystemenerzeugtwerden.
DerweitverbreiteteEinsatzvonGlasfasernhateineaktualisierteDarstellungbestimmterAspektediesesThemasnotwendiggemacht.ZudemneuaufgenommenenStoff gehörenunteranderemeinAbschnittzu mikrostrukturiertenFasern sowieallgemeinereAusführungenzu photonischenKristallen.
Ergänzendzudernormalerweiseetwasformellastigenundleider„trockenen“mathematischenBehandlungderFouriertheorieenthältdasBuchnuneinefaszinierende
grafischeAnalyse,durchdiedeutlichwird,wasdieverschiedenenIntegralebewirken. DieserStoffeignetsichhervorragendfürdenGrundkurs.
UmdieAdditionvonharmonischenWellenfürdieStudierendenzuvisualisieren, wirdausgiebigvonZeigernGebrauchgemacht.DieMethodeistsehrnützlichbeider BehandlungvonorthogonalenFeldkomponenten,welchedieverschiedenenPolarisationszuständekonstituieren.DarüberhinausliefertdieMethodeeinhübschesWerkzeug, mitdemmandasVerhaltenvonWellenplattenanalysierenkann.
DasExperimentvonYoungundallgemeindieDoppelstrahlinterferenzspielensowohl inderklassischenOptikalsauchinderQuantenoptikeinezentraleRolle.Allerdings istdieüblicheEinführungindieseThematikallzuvereinfachend,dasiedieLimitierungendurchdiePhänomeneBeugungundKohärenzvernachlässigt.BeiderAnalyse wirdnunbereitsfrühzeitigaufdieseKomplikationeneingegangen(Abschnitt9.1.1).
DietraditionelleBehandlungderInterferenzwirderweitertdurchdieVerwendung vonZeigern,diedieAmplitudedeselektrischenFeldesgrafischrepräsentieren.Damit habendieStudierendeneinealternativeMöglichkeitzuvisualisieren,waspassiert (Abschnitt9.3.1).
AuchdieBeugunglässtsichbequemmittelsZeigernbeschreiben.DiesesVerfahren führtaufnatürlicheWeisezuderklassischen Vibrationskurve,dieanFeynmansZugangzurQuantenmechaniküberWahrscheinlichkeitsamplitudenerinnert.Aufjeden FallbietetsiedenStudierendeneinealternativeMöglichkeit,dasPhänomenderBeugungzuverstehen,undzwareine,dienahezuohneRechnungauskommt.
Leser,diesichfürFourieroptikinteressieren,findennuneinewunderbareSerievon Abbildungen,diezeigt,wieaussinusförmigenräumlichenFrequenzbeiträgenein erkennbareszweidimensionalesBildgeneriertwerdenkann–inunseremFallein PorträtdesjungenEinstein.DieseaußergewöhnlicheSequenzvonBildernsollte unbedingtdiskutiertwerden,sogarineinemEinführungskurs,indemderStoffaus Kapitel11ansonstenwahrscheinlichnochzuschwierigist.
UmdieweiterführendeBehandlungderKohärenzinAbbildung12füreinebreitere Leserschaftzugänglicherzumachen,enthältdievorliegendeAuflageeineEinführung, diefastohneMathematikauskommtunddiedieGrundlagefürdietraditionelle Darstellungschafft.
SchließlichwurdederStoffüberLasererweitert(wenngleicherauchjetztnur einführendenCharakterhat)undstärkermitdemaktuellenStandderLaserphysikin Einklanggebracht.
IndenseitderviertenAuflagevergangenenJahrenhabenmirDutzendeKollegenaus allenTeilenderWeltKommentare,Hinweise,Vorschläge,ArtikelundFotosfürdiese neueAuflagezukommenlassen–ihnenallengiltmeinaufrichtigerDank.Besonders hervorhebenmöchteichProfessorChrisMack(UniversityofTexas,Austin)und Dr.AndreasKarpfvonderAdelphiUniversity.ZugroßemDankverpflichtetbinich auchmeinenvielenStudierenden,andenenichdieneuenTexteausgetestethabe.Sie
habenzudemdieneuenAufgabendurchgearbeitet(nichtselteninKlausuren)und mirbeiderAufnahmevoneinigenderneuenFotosgeholfen.InBezugaufLetzteres dankeichbesondersTanyaSpellman,GeorgeHarrisonundIrinaOstrazhnyukfürdie Stunden,diesiemitderKamerainderHandverbrachthaben.
DieUnterstützungdurchdasTeamvonAddisonWesleyweißichinhöchstemMaße zuschätzen.MeinbesondererDankgiltderProgrammleiterinKatieConley,dieden EntstehungsprozessdervorliegendenfünftenAuflagemitvielGeschickundAufmerksamkeitvonAnfangbisEndegeleitethat.DasLektoratbesorgtegewissenhaftund geduldigJoanneBoehme–siehateinengroßartigenJobgemacht.JimAthertonvon AthertonCustomszeichneteHundertevonkomplexenDiagrammen.DieErgebnisse sindwirklichaußergewöhnlichundsprechenfürsich.DievorliegendeAuflagewurde unterderstetspräsentenFührungvonJohnOrrvonOrrBookServicesentwickelt. SeinausdauernderEinsatzfürdieHerstellungeineskorrektenundschönenBuches verdientbesonderesLob.IneinerZeit,inderdastraditionelleVerlagsweseneinen radikalenWandeldurchlebt,hielterkompromisslosandenhöchstenStandardsfest, wofürichsehrdankbarbin.EswarwirklicheinVergnügenundeinPrivilegmiteinem sohochprofessionellenFachmannzusammenzuarbeiten.
SchließlichdankeichmeinerliebenFreundin,außergewöhnlichenKorrekturleserin undEhefrauCarolynEisenHecht,diegeduldigdieMüheneinerweiterenAuflage einesweiterenBuchesertrug.IhrHumor,ihreNachsichtigkeit,ihreemotionaleGroßzügigkeitundihrguterRatwarensehrwichtig.
WermirKommentareundHinweisezurvorliegendenAuflageoderauchVorschläge füreinekünftigeAuflagezukommenlassenmöchte,erreichtmichanderAdelphi University,PhysicsDepartment,GardenCity,NY,11530oderbessernochunter genehecht@aol.com.
1.3VomsiebzehntenJahrhundertan
1.5DaszwanzigsteJahrhundert..
2DieWellenbewegung
3TheoriedesElektromagnetismus,PhotonenundLicht
3.1DieGrundgleichungendesElektromagnetismus...
3.1.1DasfaradayscheInduktionsgesetz
3.1.2DergaußscheSatzfürdaselektrischeFeld...............84
3.1.3DergaußscheSatzfürdasmagnetischeFeld..............87
3.1.4DasampèrescheVerkettungsgesetz
3.1.5DiemaxwellschenGleichungen
3.2ElektromagnetischeWellen.......................97
3.2.1Transversalwellen............................100
3.3EnergieundImpuls...........................104
3.3.1DerPoynting-Vektor..........................104
3.3.2DieBestrahlungsstärke.........................109
3.3.3Photonen................................113
3.3.4StrahlungsdruckundImpuls..
3.4.1LinearbeschleunigteLadungen
3.4.2Synchrotronstrahlung..........................132
3.4.3ElektrischeDipolstrahlung.......................135
3.4.4DieEmissionvonLichtdurchAtome.................138 3.5LichtinMaterie.............................142
3.6.2Mikrowellen..............................160
3.6.3Infrarotstrahlung............................162 3.6.4SichtbaresLicht.............................164
3.6.5UltraviolettesLicht..
4.4.1DasBrechungsgesetz.
4.4.2DashuygensschePrinzip
4.4.3LichtstrahlenundNormalkongruenz
4.6.2DiefresnelschenGleichungen.
4.6.3InterpretationderfresnelschenGleichungen
4.7InnereTotalreflexion..........................253
4.7.1DieabklingendeWelle.........................256
4.8OptischeEigenschaftenvonMetallen.................263
4.9AlltäglicheAspektederWechselwirkungzwischenLichtundMaterie269
4.10DiestokesscheBehandlungderReflexionundBrechung
4.11Photonen,WellenundWahrscheinlichkeit...............281
4.11.1Quantenelektrodynamik
4.11.2PhotonenunddieGesetzederReflexionundBrechung
5.2.2BrechunganKugelflächen...
5.2.3DünneLinsen
5.3Blenden.................................349
5.3.1Apertur-undFeldblenden.......................349
5.3.2Eintritts-undAustrittspupillen.
5.6.1TechnologiederGlasfaserübertragung...
5.7.2DieBrille.
5.7.3DieLupe................................424
5.7.4Okulare.................................428
5.7.5DasMikroskop.............................430
5.8.2Phasenkonjugation..
6GeometrischeOptik:WeiterführendeThemen481 6.1DickeLinsenundLinsensysteme....................481
6.2Strahlenverlaufsberechnung......................488
6.2.1Matrizenmethoden..
6.3Aberrationen..............................505
6.3.1MonochromatischeAberrationen ....................506
6.3.2ChromatischeAberrationen......................528
6.4GRIN-Systeme.............................538
6.5AbschließendeBemerkungen.
7SuperpositionvonWellen549
7.1DieAdditionvonWellengleicherFrequenz
7.1.1DiealgebraischeMethode...
7.1.2DiekomplexeMethode
7.1.3Zeigeraddition .............................558
7.1.4StehendeWellen............................561
7.2DieAdditionvonWellenverschiedenerFrequenz..
7.2.1Schwebungen ..............................571
7.2.2Gruppengeschwindigkeit ........................574
7.3AnharmonischeperiodischeWellen..................584
7.3.1Fourierreihen..............................584
7.4NichtperiodischeWellen........................603
7.4.1Fourier-Integrale............................606
7.4.2ImpulseundWellenpakete.......................610
7.4.3DieKohärenzlänge...........................615
7.4.4DiskreteFourier-Transformation....................620
8Polarisation643
8.1DieNaturdespolarisiertenLichts...................643
8.1.1LinearePolarisation..........................644
8.1.2ZirkularePolarisation..........................648
8.1.3ElliptischePolarisation
8.1.4NatürlichesLicht...
8.1.5DerDrehimpulsunddasPhotonenbild.................655 8.2Polarisatoren..............................657
8.2.1DasmalusscheGesetz
8.3Dichroismus..............................660
8.3.1DerDrahtgitterpolarisator...
8.3.2DichroitischeKristalle.........................662
8.3.3DasPolaroidfilter............................663
8.4Doppelbrechung...
8.4.1Kalkspat................................670
8.4.2DoppelbrechendeKristalle...
8.4.3DoppelbrechendePolarisatoren
8.5StreuungundPolarisation...
8.5.1PolarisationdurchStreuung.. ....................687
8.6PolarisationdurchReflexion......................689
8.6.1EineAnwendungderfresnelschenGleichungen...
8.7Verzögerungsplättchen
8.7.1PhasenplättchenundRhomboeder...................697
8.7.2Kompensatoren.............................708
8.8Zirkularpolarisatoren..........................709
8.9PolarisationvonpolychromatischemLicht...............711
8.9.1BandbreiteundKohärenzzeiteinerpolychromatischenWelle.....711
8.9.2Interferenzfarben............................713
8.10OptischeAktivität...........................714
8.10.1EinModell...............................719
8.10.2OptischaktiveBiomoleküle......................721
8.11ErzwungeneoptischeEffekte–OptischeModulatoren ........722
8.11.1Photoelastizität.............................722
8.11.2DerFaraday-Effekt...........................724
8.11.3DerKerr-EffektundderPockels-Effekt................727 8.12Flüssigkristalle.............................731
8.13EinemathematischeBeschreibungderPolarisation.
8.13.1DiestokesschenParameter...
8.13.2DieJones-Vektoren...........................739
8.13.3DieJones-MatrizenunddieMueller-Matrizen.............742
9.1AllgemeineBetrachtungen...
9.1.1Nahfeld/Fernfeld...........................766
9.2Interferenzbedingungen
9.2.1ZeitlicheundräumlicheKohärenz
9.2.2DieFresnel-Arago-Gesetze...
9.3InterferometermitWellenfrontaufspaltung...............772
9.3.1DasyoungscheDoppelspaltexperiment..
9.4InterferometermitAmplitudenaufspaltung..............794
9.4.1DielektrischeSchichten–Zweistrahlinterferenz............794
9.4.2Spiegel-Interferometer
9.5TypenundLokalisierungvonInterferenzmustern...........823
9.6Mehrstrahlinterferenz..........................826
9.6.1DasFabry-Perot-Interferometer ....................834
9.7AnwendungenvonEin-undMehrschichtfilmen...
9.7.1MathematischeBehandlung......................843
9.7.2ReflexminderndeSchichten......................847
9.7.3PeriodischeMehrschichtsysteme....................849
9.8AnwendungenderInterferometrie ...................852
9.8.1Streulichtinterferenz..........................852
9.8.2DasTwyman-Green-Interferometer..................856
9.8.3DasrotierendeSagnac-Interferometer.................857
9.8.4Radarinterferometrie. .........................859
10.1EinleitendeBetrachtungen...
10.1.1UndurchsichtigeHindernisse.. ....................877
10.1.2Fraunhofer-undFresnelbeugung ....................879
10.1.3MehrerekohärenteOszillatoren
10.2Fraunhoferbeugung.. .........................887
10.2.1BeugungamEinzelspalt ........................887
10.2.2BeugungamDoppelspalt ........................903
10.2.3BeugunganvielenSpalten... ....................909
10.2.4BeugunganeinerrechteckigenÖffnung.. ..............924
10.2.5BeugunganeinerkreisrundenÖffnung.. ..............929
10.2.6DasAuflösungsvermögenabbildenderSysteme... .........937
10.2.7DerBesselstrahlnullterOrdnung ....................942
10.2.8DasBeugungsgitter.. .........................945
10.3Fresnelbeugung .............................960
10.3.1DiefreieAusbreitungeinerKugelwelle................960
10.3.2DieVibrationskurve..........................966
10.3.3KreisförmigeÖffnungen ........................968
10.3.4KreisförmigeHindernisse.......................978
10.3.5DiefresnelscheZonenplatte......................981
10.3.6DiefresnelschenIntegraleunddieBeugungamrechteckigenLoch..986
10.3.7DieCornu-Spirale...........................991
10.3.8FresnelbeugungamSpalt ........................997
10.3.9Beugungamhalbunendlichen,undurchsichtigenSchirm ....... 1002
10.3.10BeugunganeinemschmalenHindernis.. .............. 1005
10.3.11DasPrinzipvonBabinet........................ 1007
10.4DieskalareBeugungstheorievonKirchhoff .............. 1009
10.5Beugungswellen... 1014 Aufgaben................................ 1016
11Fourier-Optik1029
11.1Einleitung................................ 1029
11.2Fourier-Transformierte......................... 1030
11.3.2LineareSysteme............................
11.3.3DasFaltungsintegral.
12.2.1BeugungundverschwindendeStreifen...
12.4.1ZeitlicheundräumlicheKohärenz
12.5.2Korrelationsinterferometrie.......................
13.2.2DieabbescheBildentstehungstheorie...
13.4.2ErzeugungvonHarmonischen.
13.4.3Frequenzmischung.. ......................... 1268
13.4.4SelbstfokussierungvonLicht...................... 1269 Aufgaben................................ 1271
Anhang1:TheoriedesElektromagnetismus1281
Anhang2:KirchhoffscheBeugungstheorie1287
LösungenausgewählterAufgaben1289
Literatur1335
Sachverzeichnis1343
1.3VomsiebzehntenJahrhundertan
WerdasLinsenfernrohrtatsächlicherfand,wissenwirnicht.Sicheristlediglich,dass HansLippershey(1587–1619),einholländischerBrillenhersteller,am2.Oktober1608 einsolchesGerätzumPatentanmeldete,wiemaninAufzeichnungendesHaagerArchivsnachlesenkann.GalileoGalilei(1564–1642)hörteinPaduavondieserErfindung undbautedasInstrumentinnerhalbwenigerMonatemitselbstgeschliffenenLinsen nach.FastgenauzurselbenZeitwurdedasMikroskoperfunden,möglicherweisevon demHolländerZachariasJanssen(1588–1632).FranciscoFontana(1580–1656)aus NeapelersetztedaskonkaveOkulardesMikroskopsdurcheinekonvexeLinse.In ähnlicherWeisewandelteJohannesKepler(1571–1630)dasTeleskopab.1611veröffentlichteKeplerseine Dioptrik.ErhattedieinnereTotalreflexionentdecktundkam damitzueinerfürkleineWinkelgültigenNäherungdesBrechungsgesetzes:Indiesem FallsindEinfalls-undBrechungswinkeleinanderproportional.Keplerentwickelte dieOptikersterOrdnungfürSystememitdünnenLinsenundbeschriebinseinem BuchdiegenaueFunktionsweisesowohldesKeplerschen(miteinerSammellinseals Okular)alsauchdesGalileischen(miteinerZerstreuungslinsealsOkular)Fernrohrs. WillebrordSnell(1591–1626),ProfessorinLeyden,fand1621empirischdaslange gesuchte Brechungsgesetz –dieswarzweifelloseinederSternstundenderOptik.Mit derErkenntnis,wieLichtstrahlenabgelenktwerden,wennsiedieGrenzezwischen zweiMediendurchqueren,öffneteSnellmiteinemSchlagdieTürzurmodernen angewandtenOptik.RenéDescartes(1596–1650)formuliertedasBrechungsgesetz erstmalsinderunsheutevertrautenFormmitSinustermen.BeiderAbleitungdes GesetzesbetrachteteDescartesdasLichtalseinenDruck,dersichineinemelastischen Mediumfortpflanzt.In LaDioptrique (1637)schrieber:
...erinneremansichandieNatur,dieichdemLichtzuschrieb,alsichsagte, dassLichtnichtsanderesseialseinebestimmteBewegungoderWirkungin einersehrfeinenSubstanz,diediePorenalleranderenGegenständeausfüllt...
JohannesKepler(1571–1630).(Nickolae/Fotolia)
RenéDescartes(1596–1650);GemäldevonFransHals.(GeorgiosKollidas/Shutterstock)
DescartesbetrachtetedasUniversumdemnachalsgefülltenRaum.PierredeFermat (1601–1665)bezweifeltediesundleitete,ausgehendvonseinemeigenen Prinzipder kürzestenZeit (1657),dasBrechungsgesetzneuher.
DasPhänomenderBeugung,alsoderAblenkungdesLichtsvondergeradlinigenAusbreitungbeimPassiereneinesHindernisses,wurdeerstmalsvonProfessorFrancesco MariaGrimaldi(1618–1663)amJesuitenkolleginBolognabeschrieben.GrimaldibeobachteteLichtstreifeninnerhalbdesSchattenseinesStabes,welchervoneinerkleinen Lichtquelleangestrahltwurde.RobertHooke(1635–1703),KuratorfürExperimente beiderRoyalSociety,bemerktespäterebenfallsBeugungseffekte.Hookeuntersuchte alsErsterdiefarbigenInterferenzmuster,diedurchdünneSchichtenerzeugtwerden (Micrographia,1665).Erschlugvor,Lichtalsschnelle,sichmitgroßerGeschwindigkeitfortbewegendeSchwingungdesMediumsaufzufassen.SeineThese,dass„jeder StoßoderjedeSchwingungdesLeuchtkörperseineSphäre“erzeuge,bildetdenBeginnderWellentheoriedesLichts.ImTodesjahrvonGalileiwurdeIsaacNewton geboren.NewtonsCredowar,sichstetsaufdirekteBeobachtungenzustützenund
SirIsaacNewton(1642–1727).(GeorgiosKollidas/Fotolia)
spekulativeHypothesenzuvermeiden.DenunterschiedlichenAuffassungenvonder NaturdesLichtsstanderdaherlangeZeitunentschiedengegenüber:WarLicht,wie manchebehaupteten,korpuskular–alsoeinStromvonTeilchen?Oderwareseine WelleineinemallesdurchdringendenMedium,demÄther?ImAltervon23Jahren begannNewtonmitseinenheuteberühmtenDispersionsversuchen.
IchbesorgtemireindreieckigesGlasprisma,umdamitdieberühmtenFarbphänomenezuuntersuchen.
Newtonschloss,dassweißesLichtalsMischungeinerganzenReihevoneinander unabhängigerFarbenzubetrachtensei.Erbehauptete,dieverschiedengefärbten LichtpartikelregtendenÄtherzucharakteristischenSchwingungenan.SeineTheorie bedientedemnachsowohldieWellen-alsauchdieTeilchenhypothese,allerdings neigteermitzunehmendemAlterderLetzterenmehrzu.DieWellentheorieinihrer damaligenFormlehnteerimWesentlichendeshalbab,weilsichdiegeradlinige FortpflanzungdesLichtsinseinenAugennichtmithilfevonWellenerklärenließ,die sichinalleRichtungenausbreiten.
NachmehrerenunzulänglichenExperimentengabNewtondenVersuchauf,Farbfehler vonLinsenfernrohrenzubeseitigen.SeinefalscheSchlussfolgerung,dassdieses Problemgenerellnichtzulösensei,führteihnzurKonstruktionvonSpiegelfernrohren. DaserstederartigeInstrumentstellteer1668fertig.Eswarnurrund15Zentimeter lang,undseinDurchmesserbetrugnurrundvierZentimeter,aberesliefertebereits einemehralsdreißigfacheVergrößerung.
ZurselbenZeit,alsNewtoninEnglanddieTeilchenhypothesevertrat,erweiterte ChristiaanHuygens(1629–1695)aufdemKontinentdieWellentheorieinbeträchtlichemMaße.ImGegensatzzuDescartes,HookeundNewtonfolgerteHuygensrichtig, dasssichLichtbeimEintrittindichtereMedienverlangsamt.MithilfeseinerWellentheoriekonnteerdasReflexions-unddasBrechungsgesetzherleitenundsogardie
ChristiaanHuygens(1629–1695).(PorträtvonChristiaan Huygens(ca.1680),AbrahamBloteling.Stich.Rijksmuseum [ObjektnummerRP-P-1896-A-19320])
DoppelbrechungamCalcitkristall(Kalkspat)erklären.ImZugeseinerUntersuchungenamKalkspatentdeckteerauchdie Polarisation.
DaeszweiverschiedeneArtenderBrechunggibt,nehmeichan,dassauch zweiverschiedeneArtenvonLichtwellenexistieren...
LichtwaralsoentwederalsTeilchenstromoderalsrascheWellenbewegungätherischerMateriezuverstehen.EinigkeitbestandüberseineextremhoheFortpflanzungsgeschwindigkeit.InderTatglaubtenviele,Lichtbewegesichunendlichschnell–eineVorstellung,diemindestensbisaufAristoteleszurückgeht.DassdieLichtgeschwindigkeitendlichist,fandderDäneOleChristensenRømer(1644–1710)heraus. DieUmlaufbahnvonIo,demnächstenMonddesJupiter,liegtnahezuinderEbene derUmlaufbahndesPlanetenselbstumdieSonne.Rømeruntersuchtesorgfältigdie FinsternissevonIowährendderWanderungdesMondesdurchdenSchattenhinter Jupiter.1676sagteervoraus,dassIoam9.Novembermehrals10Minutenspäter ausdemSchattentretenwerde,alsmanesaufderGrundlageseinerjährlichgemitteltenBewegungerwartete.IoverhieltsichexaktRømersZeitplanentsprechend–ein Phänomen,dasderForscherkorrektmitderendlichenGeschwindigkeitdesLichts erklärte.Rømerkonnteberechnen,dassdasLichtungefähr22Minutenbrauchte, umdieSonnenumlaufbahnderErdezudurchlaufen(rund300MillionenKilometer). DieArbeitenüberzeugtenunteranderemHuygensundNewton,dieunabhängigvoneinanderdenDurchmesserdergenanntenUmlaufbahnberechnetenundsozueiner Lichtgeschwindigkeitvon c =2,3 × 108 bzw. 2,4 × 108 m/sgelangten.1
DasGewichtNewtonsdrohtedieAnhängerderWellentheorieimachtzehntenJahrhundertfastzuerdrücken.TrotzdembekanntesichderprominenteMathematiker LeonhardEuler(1707–1783),wennauchunbeachtet,zudieserHypothese.Euler meinte,dievonLinsenerzeugtenunerwünschtenFarbeffekteträtenimAugedeshalb nichtauf,weildieunterschiedlichenvorhandenenMediendieDispersionunterdrücken(waseineirrigeAnnahmeist).Erschlugvor,diesenEffektzurKonstruktion achromatischerLinsenauszunutzen.SamuelKlingenstjerna(1698–1765),Professor inUppsala,vollzogNewtonsExperimentezumAchromatismusnachundstelltefest, dasssiefehlerhaftwaren.KlingenstjernastandmitdemLondonerOptikerJohnDollond(1706–1761)imKontakt,derzuähnlichenErgebnissengelangte.Dollondsetzte 1758schließlicheinElementausKronglasundeinzweitesausFlintglaszueiner achromatischenLinsezusammen–eineErfindung,dienebenbeibemerktvondem AmateurforscherChesterMoorHall(1703–1771)ausEssexbereitsvorweggenommen wordenwar.
1 A.Wróblewski, Am.J.Phys. 53 (7),Juli1985,S.620.
