Warum ändert sich die Wellenlänge im Medium?

Licht kann gebeugt werden und sich überlagern (interferieren). Das sind typische Welleneigenschaften. Aus ihrem Auftreten bei Licht kann man folgern:

Licht hat Welleneigenschaften . Es kann mit dem Modell Lichtwelle beschrieben werden.

Von seinem physikalischen Charakter her ist Licht eine elektromagnetische Welle. Das bedeutet: Es ändert sich die Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes zeitlich periodisch (Bild 1). Da diese Änderungen (Schwingungen) der Feldstärke senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgen, sind Lichtwellen Transversalwellen (Querwellen).

Bei Lichtwellen ändert sich die Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes periodisch.

Zum Licht zählt man das gesamte für den Menschen sichtbare Spektrum sowie das infrarote und das ultraviolette Licht (Bild 2). Wie jede andere Welle lässt sich Licht durch die Wellenlänge und die Frequenz kennzeichnen. Diese beiden Größen sind in der nachfolgenden Übersicht angegeben.

Wellenlängen und Frequenzen von Licht

Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Frequenz von Licht ist nur davon abhängig, wie es entsteht. Sie ändert sich beim Übergang von einem Stoff in einen anderen nicht. Im Unterschied dazu ändert sich beim Übergang von einem Stoff in einen anderen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes, die Lichtgeschwindigkeit. Mit ihr ändert sich auch die Wellenlänge.
Für den Zusammenhang zwischen der Lichtgeschwindigkeit, der Wellenlänge und der Frequenz gilt:

c=λ⋅f           c     Lichtgeschwindigkeit           λ     Wellenlänge des Lichtes            f     Frequenz des Lichtes

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt:

c=299 792,458 kms≈300 000kms

In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit nur unwesentlich kleiner und hat dort einen durchschnittlichen Wert von:

c=299 711 kms

Kennt man die Lichtgeschwindigkeit in einem Stoff, so kann man bei bekannter Frequenz die Wellenlänge des Lichtes im betreffenden Stoff berechnen.

Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen

Eigenschaften von Lichtwellen

Lichtwellen können wie andere Arten von Wellen reflektiert, gebrochen oder von Stoffen aufgenommen (absorbiert) werden. Darüber hinaus treten bei Licht unter bestimmten Bedingungen folgende wellentypischen Erscheinungen auf:

• Lichtwellen können gebeugt werden.
• Lichtwellen können sich überlagern (interferieren).
• Lichtwellen können polarisiert werden.

Wie bei anderen Wellen wird mit Lichtwellen Energie, aber kein Stoff transportiert. Genauere Hinweise zu den Eigenschaften von Lichtwellen sind unter den Stichwörtern Beugung, Interferenz und Polarisation von Licht zu finden.

Eine Besonderheit von Lichtwellen

Wasserwellen oder Schallwellen breiten sich von einem Erreger ausgehend kontinuierlich im Raum aus. Lichtwellen muss man sich dagegen anders vorstellen. Von Lichtquellen gehen keine kontinuierlichen Wellen aus wie etwa von einer Schallquelle, sondern räumlich begrenzte Wellenzüge oder Wellenpakete (Bild 5).

Nein, wenn die Ausbreitung im Vakuum gemeint ist. Dort hat Licht aller Wellenlängen die gleiche Geschwindigkeit. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit c beträgt 299 792 458 Meter pro Sekunde, das sind etwa 300 000 Kilometer pro Sekunde.

Die Lichtgeschwindigkeit nimmt jedoch ab, wenn Licht ein Material durchläuft. Wie stark das geschieht, hängt einerseits von der Wellenlänge des Lichtes ab, andererseits vom Material. Licht trägt, als elektromagnetische Welle, ein elektrisches Feld mit sich. Damit kann es die elektrischen Ladungen verschieben, die in einem Material vorhanden sind. Physiker sprechen von einer Polarisation. Es entsteht ein „Gegenfeld“, in dem die Ausbreitung des Lichts verzögert wird, seine Geschwindigkeit sinkt.

Je nach Wellenlänge kann das Licht  ein Material besser oder schlechter polarisieren und so seine Ausbreitungsgeschwindigkeit mehr oder weniger stark ändern. Mit der Geschwindigkeit des Lichtes ändert sich auch seine Wellenlänge, wenn es vom Vakuum in ein Material übergeht. Unverändert bleibt nur die Frequenz.

Ein Beispiel: In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit kaum geringer als im Vakuum. In Wasser sinkt die Geschwindigkeit von gelbem Licht auf etwa drei Viertel der Vakuumlichtgeschwindigkeit, in Glas auf rund zwei Drittel. Violettes Licht breitet sich in beiden Materialien etwas langsamer aus als das Gelbe. Obwohl dieser Effekt klein ist, kann man seine Auswirkung im Alltag einfach sehen: nimmt man eine Sammellinse, z.B. eine Lupe, und bildet damit einen schwarz-weißen Gegenstand auf ein weißes Papier ab, dann erscheinen seine Kanten im Bild farbig. Dieser Effekt heißt Farbfehler und wird in Fotoobjektiven durch eine geeignete Anordnung von unterschiedlichen Linsen korrigiert.

Warum ändert sich die Wellenlänge bei Brechung?

Wieso ist Licht im Medium langsamer?

Wie ändert sich die Frequenz einer Welle wenn sie in ein anderes Medium übertritt?

Wann ändert sich die Frequenz?