was ist Optik? / Quantentheorie

Optik

Was ist ´´Optik`` ?				Womit beschäftigt sich ´´Optik`?
	Optik ⁄ \
Biologische Optik ↓		Physikalische Optik (Lehre vom Licht) \
Physiologische Optik (Auge, Nerven→ Gehirn)			Klassische Optik / \
Psychologische Optik (Optische Wahrnehmung)		Strahlenoptik oder Geometrische Optik ( Beziehungen zum Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz		Wellenoptik
Ophtalmologische Optik (Sehstörungen→ Augenoptik)			Quantenoptik

Wir beschäftigen uns mit der Klassischen Optik

und hauptsächlich mit der Geometrischen Optik.

Die Wellenoptik spielt dabei eine zunehmende Rolle.

Wir stellen Feinoptische Bauelemente her ( Linsen, Prismen ..... )

Ein Feinoptiker stellt Feinoptische Bauelemente her

( Spezialist für die Anfertigung optischer Flächen ).

Ein Augenoptiker verfügt über Kenntnisse zur Bestimmung

und Herstellung sowie Anpassung von Sehhilfen

( Spezialist für Brillen ).

ein Teilgebiet der Physik, das sich sowohl mit der Ausbreitung als auch mit der Entstehung und Absorption elektromagnetischer Strahlung, insbesondere des Lichts, befasst. Die Erscheinungen, in denen der Wellencharakter vernachlässigt werden kann, wie geradlinige Ausbreitung, Reflexion und Brechung, fasst man in der geometrischen Optik zusammen; die Lichtstrahlen werden als geometrische Linien behandelt. Zur Wellenoptik (auch physikalische Optik) gehören Interferenz, Beugung, Polarisation u. a. Vorgänge, die die Wellennatur des Lichts zeigen. Das Verhalten elektromagnetischer Wellen in Kristallen (oder in und bei Reflexion an Metallen) beschreibt die Kristalloptik (bzw. Metalloptik). Allgemein lassen sich die makroskopischen Erscheinungen der Optik, bei denen sich die quantenhafte Natur der Strahlen nicht bemerkbar macht, aus den Maxwell'schen Gleichungen ableiten. Die teilchenhafte Struktur der elektromagnetischen Strahlen, die besonders bei ihrer Emission und Absorption durch atomare Teilchen berücksichtigt werden muss, wird durch die Quantentheorie beschrieben.

Quantentheorie

Die Quantentheorie liefert zwei sehr wichtige Ergebnisse:

1. alle atomaren Gesetze haben nur statistische Bedeutung, d. h., man kann nicht für einzelne Elementarteilchen aussagen, was mit ihnen im Lauf der Zeit geschieht; es ist vielmehr nur möglich, für viele Teilchen eine Aussage zu machen. Die Physik ist also im atomaren Bereich nicht mehr determiniert (vorausbestimmbar), wohl aber noch kausal. Für sehr viele Atome gehen die statistischen Gesetze in die bekannten Gesetze der klassischen Physik über.

2. die Elementarteilchen treten in den beiden Erscheinungsformen: Korpuskel (Teilchen) und Welle auf (Komplementarität). Diese beiden sich gegenseitig ausschließenden Beschreibungen sind zwei Fälle desselben mathematischen Formalismus. Das Verhalten der Teilchen ist bei der Messung selbst anschaulich beschreibbar, nicht aber ihr Verhalten zwischen den einzelnen Messungen. Eine mathematische Formulierung dieses sog. Dualismus zwischen Welle und Korpuskel gibt die Heisenberg'sche Unschärferelation, nach der man entweder den Impuls oder den Ort eines Teilchens, niemals aber beide zugleich genau messen kann. Mit Hilfe der Quantentheorie konnten z. B. das Periodensystem der Elemente, der Aufbau der Atomhülle, die Gesetzmäßigkeiten der Spektren erklärt werden. Dabei zeigte sich, dass jedes Elementarteilchen einen eingeprägten Drehimpuls, den Spin, besitzt. P. Dirac konnte diese Eigenschaft aus einer die Relativitätstheorie einbeziehenden Gleichung ableiten. Die Relativitätstheorie muss bei sehr schnellen Teilchen, deren Geschwindigkeit mit der des Lichts vergleichbar ist, exakt berücksichtigt werden.

Dies geschieht in der Quantentheorie der Wellenfelder (Quantenfeldtheorie), die die Elementarteilchen mit ihren Wechselwirkungen und Reaktionen (auch Erzeugung und Vernichtung von Teilchen) beschreibt: Feldgleichungen der klassischen Physik (am bekanntesten sind die Maxwell'schen Gleichungen der Elektrodynamik) werden durch Einführung von Quantenbedingungen so umgedeutet, dass den Feldern Quanten (Teilchen) zugeordnet sind, z. B. dem elektromagnetischen Feld die Lichtquanten, dem Kernkraftfeld die Mesonen. Die Entwicklung dieser Quantentheorie der Wellenfelder ist noch nicht abgeschlossen.

Theorie, die die Atome, Moleküle sowie ihre Wechselwirkung mit Elementarteilchen beschreibt. Den Ausgangspunkt bildete (1900) die Entdeckung von M. Planck, dass man die Energiedichte der Lichtstrahlung eines schwarzen Körpers nur dann richtig berechnen kann, wenn man annimmt, dass alle Lichtenergie nur in ganzzahligen Vielfachen von h f n abgegeben (emittiert) werden kann. Dabei ist n die Frequenz des Lichtes und h eine universelle Konstante, das Planck'sche Wirkungsquantum (h = 6,6 f 10^-34J f s). Während Planck dieses Gesetz unter der Annahme von harmonischen Oszillatoren ableitete, zeigte A. Einstein durch seine Erklärung der Lichtabsorption beim Photoeffekt die Gültigkeit auch für Atome. Damit war die Möglichkeit gegeben, die diskontinuierliche (quantenhafte) Lichtemission und -absorption von Atomen zu verstehen (Lichtquantentheorie). N. Bohr und A. Sommerfeld gaben eine Theorie der Spektrallinien, die allerdings noch einige Widersprüche aufzeigte; das dabei von Bohr benutzte Korrespondenzprinzip führte W. Heisenberg zu seiner Matrizendarstellung der Quantenmechanik, einer abstrakten mathematischen Theorie, mit der alle Experimente widerspruchsfrei erklärt werden konnten. - Ein anderer Zugang zum Bau der Atome war die Vermutung von L. de Broglie, dass nicht nur das Licht, sondern auch alle Materie Wellencharakter habe. Dies wurde durch Experimente bestätigt und von E. Schrödinger in seiner Wellenmechanik mathematisch verarbeitet.