Ist jede Strahlung gleich schnell?
Hallo,
einer meiner Lehrer hat mir mal Licht so erklärt: Photonen ("Lichtteilchen") bewegen sich wellenförmig mit variierender Wellenlänge durch den Raum. Diesen Teilchencharakter erklärt mir auch Wikipedia. Dagegen erkärt sie mir auch, dass es sich um "ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes" handelt. Was es genau ist, scheint noch nicht geklärt zu sein.
Nehmen wir an, "Lichtteilchen" würden sich wellenförmig ("in S-Kurven") durch den Raum bewegen. Dann würde ich es mit 2 Autos vergleichen:
Ein Auto A und ein Auto B fahren von einem Punkt zum anderen. Das Auto A fährt eine gerade Straße. Das Auto B hingegen fährt S-Kurven. Damit das Auto B sein Ziel in derselben Zeit wie Auto A erreicht, muss es schneller als Auto A fahren, sonst würde es später ankommen.
Zurück zum Licht: Schauen wir uns einen einzelnen Lichtstrahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, an. Würde sich dieses "Lichtteilchen" nicht auch in "S-Kurven" durch den Raum bewegen? Damit der Lichtstrahl insgesamt tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit erreicht, müsste sich doch dieses "Lichtteilchen" schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen. (Auto A wäre hier der Lichtstrahl insgesamt; Auto B das "Lichtteilchen")
Das kann so aber eigentlich nicht stimmen... Wo ist da mein Denkfehler? Bewegen sich nur diese "Lichtteilchen" mit Lichtgeschwindigkeit, und der Lichtstrahl ist eigentlich viel langsamer?
Wenn das so wäre, dann zu meiner eigentlichen Frage: UV-Strahlung hat eine kürzere Wellenlänge als Infrarotstrahlen. "Lichtteilchen" der UV-Strahlung würden demnach "engere S-Kurven" machen als Infrarotstrahlen. Sind die UV-Strahlen dann langsamer?
Dazu hier noch eine schlechte Paint Skizze :D http://s14.directupload.net/images/141017/4hwz6837.png
Verstehe ich hier was falsch? Wie bewegt sich Was? Google will mir da nichts sagen.
Lest es bitte genau durch. Entschuldigt, dass ich etwas schlecht formuliere, ich bin kein Physiker. Daher bitte ich um eine Erklärung die ich auch verstehe. Vielen Dank im Voraus!
mfG Phil
8 Antworten
Du hast gleich mehrere Denkfehler, hast aber teilweise recht:
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Zum einen vermischt Du die beiden Betrachtungsweisen des -> Welle-Teilchen-Dualismus.
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Zum anderen bringst Du -> Phasengeschwindigkeit und -> Gruppengeschwindigkeit,durcheinander. Diese sind nur im Vakuum identisch.
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Mit einem Punkt hast Du (teilweise) recht: In einem Medium hängt die -> Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge ab. Deswegen spaltet z.B. ein Prisma weißes Liht in ein Farbspektrum.
Bei allem mit -> weiß Wiki weiter.
Was es genau ist, scheint noch nicht geklärt zu sein.
dieser satz vermittelt eine ziemlich falsche vorstellung, wie wenn man heute immer noch grübelt ob es jetzt eine (klassische) welle oder ein (klassisches) teilchen ist und die wissenschaft diese frage irgendwann einmal zu gunsten einer der beiden möglichkeiten entscheiden wird. das ist falsch, es ist geklärt was licht ist, nur lautet die antwort weder (klassische) welle noch (klassiches) teilchen. mit dem welle-teilchen-dualismus (der aus der zeit noch vor der quantenmechanik stammt) verhält es sich ein bisschen so als würdest du sagen: "heißt die hauptstadt von deutschland entweder Paris oder London? diese frage ist immer noch ganz eindeutig geklärt". wir haben eine bisher korrekte beschreibung aller mit licht in zusammenhang stehnden phänomene, aber es ist eben keine theorie der klassischen physik mit ihren wellen und teilchen.
Nehmen wir an, "Lichtteilchen" würden sich wellenförmig ("in S-Kurven") durch den Raum bewegen.
sorry, diese vorstellung ist völlig falsch. alles was du daraus ableitest musst du daher ebenfalls verwerfen.
der zusammenhang zwischen "photonen" und einer elektromagnetischen welle wie wir sie aus der klassischen physik kennen ist absolut nicht so einfach und sehr abstrakt. ich werde mal schauen ob ich irgendwo eine gute darstellung finde, weiß aber nicht ob man sowas wirklich einfach darstellen kann. (wer ein bisschen vorwissen hat, ich habe hier: http://www.drillingsraum.de/room-forum/showthread.php?tid=599&pid=29880#pid29880 mal versucht ein bisschen was darüber zu schreiben, denke aber nicht dass das was dabei rausgekommen ist wirklich sehr hilfreich ist)
prinzipiell empfiehlt sich diese beiden vorstellungen nicht zu mischen, d.h. wann immer man mit der klassischen theorie rechnen kann (und das kannst du wenn du nicht wirklich quantemechanische prozesse betrachtest sondern zB. "lichtstrahlen" von der sonne oder sonst wo), dann mach das auch und vergiss die photonen.
und nochmal:
"Lichtteilchen" würden sich wellenförmig ("in S-Kurven") durch den Raum bewegen.
das am besten schnell wieder vergessen, mit der vorstellung funktioniert es überhaupt nicht.
Es ist schon lange bekannt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant und unabhängig von Frequenz bzw. Wellenlänge ist. Also haben alle elektromagnetischen Schwingungen, von Radiowellen bis Gammastrahlen die gleiche Geschwindigkeit.
Der Denkfehler liegt bei der Zuordnung der Transversalschwingung zum Teilchen Phänomen. Diese Schwingung ist ausschließlich der Wellenausbreitung zuzuordnen, bei der sich Felder bewegen. Bei der Ausbreitung als Photon(Teilchen) darf man nicht die anschaulichen Eigenschaften der Welle hin einmischen. Dieses paradox hat schon die Entdecker gestört, und es kann anschaulich nicht aufgelöst werden.
Doch, was das Licht genau ist, ist geklärt. Es ist beides: Welle und Teilchen. Je nach Beobachtungsmethode stellt man das eine oder das andere fest. Wenn man nach Teilchen Ausschau hält, findet man Teilchen, und wenn man nach Wellen sucht, findet man Wellen.
Was mit den Wellen gemeint ist, nämlich diese sich ausbreitenden Schwingungen des elektromagnetischen Feldes, versteht natürlich nur, wer sich unter einem elektromagnetischen Feld überhaupt etwas vorstellen kann. Genau das fehlt Dir noch, und das ist die Richtung, in der Du weitergehen solltest, um besser durchzublicken.
Mach Dich zunächst mit elektrischen und magnetischen Feldern vertraut und damit, wie sie sich gegenseitig erzeugen, sobald Veränderung und Bewegung ins Spiel kommt. Diese Vorgänge hat Michael Faraday erforscht und wenn Du seine Experimente verstehst, bist Du schon einen großen Schritt weiter. Ein sich veränderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld. Ein sich veränderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld. Weil das so ist, gibt es auch elektromagnetische Wellen, bei denen elektrisches und magnetisches Feld schwingen und sich dabei gegenseitig erzeugen. Die Geschwindigkeit, mit der diese Wellen sich ausbreiten, ist die Lichtgeschwindigkeit. Sie hängt, jedenfalls im Vakuum, nicht von der Frequenz ab, sondern ergibt sich aus den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Raumes: c = 1/√(με). Forscher, die diese Zusammenhänge aufgedeckt haben, waren James C. Maxwell und Heinrich Hertz.
Hier... https://www.youtube.com/watch?v=6oOTmM2U0Z8 ...wird in einer Animation gezeigt, wie sich die Welle von einer Sendeantenne aus ausbreitet. Eingezeichnet ist die elektrische Komponente des Feldes.
...und hier... http://www.darc.de/referate/ajw/ausbildung/darc-online-lehrgang/technik-klasse-a/technik-a08/ ...findest Du noch ein paar Erklärungen dazu.
Und hier... http://www.youtube.com/watch?v=nt-A1Cr6Aao ist noch eine Animation, die die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle mit Feldstärkevektoren im rechtwinkligen Koordinatensystem darstellt.
Also, so wie du das zu erklären versuchst, ist es tatsächlich etwas kompliziert. Bei deiner Erklärung müsste demnach eine langsam schwingende Welle sich auch langsamer bewegen, was dazu führt, dass IR- und UV-Strahlen nicht gleichzeitig eintreffen würden.
Nimm das Beispiel Laserpointer:
Ein roter Laser hat eine andere Wellenlänge als ein blauer Laser. Demnach müsste laut deiner Erklärung der rote Laser (der mit der kürzeren Wellenlänge) auch später an der Wand aufleuchten als der blaue (mit der längeren Wellenlänge). Das ist aber nicht so. Licht bewegt sich immer in Lichtgeschwindigkeit auf einer geraden Linie von der Leuchtquelle weg. IR- und UV-Strahlen bewegen sich gleich schnell, allerdings in einer anderen Wellelänge, was deren Farbe definiert.
Das ist das gleiche Prinzip übrigens bei Tönen: Hohe Töne schwingen schneller (=kurze Wellenlänge), ertönen jedoch gleich schnell wie tiefe Töne (=lange Wellenlänge).
So verständlicher?
Wie kommen dann Physiker auf die Wellenlänge? Wenn sich das Photon also garnicht wellenförmig, sondern auf einer Gerade bewegt, was hat dann die Welle zu bedeuten? Was hat das für eine Auswirkung, wenn Welle z.B. ihr Maximum/Minumum erreicht? Ich weiß nur, dass die Energie des Photons die Wellenlänge bestimmt.
Man geht davon aus, dass Photonen schwingen.
Veranschaulichen könnte man das in etwa so:
Ein theoretisch stillstehendes Photon hüpft auf und ab. Bewegt es sich während dem Hüpfen in immer konstanter Geschwindigkeit nach vorne, entsteht eine Welle, deren Bewegung eigentlich eine Gerade ist, durch das "Hüpfen" allerdings eine Welle darstellt. Je "aktiver" ein Teilchen ist, sprich je mehr Energie es hat, umso schneller hüpft es. Bzw. Umgekehrt: Je schneller das Teilchen schwingt, umso mehr Energie besitzt es.
Ganz einfach: Sie denken ein Teilchen musste sich wellenförmig bewegen, dabei beschreibt die Amplitude nur die elektromagnetische Feldstärke.
Hier... http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/elektromagnetische-wellen