Wie viele andere Wellenarten (Wellenbildung eines Fadens, Wellen auf einer Wasseroberfläche, Schall- und Erdbebenwellen, …) können auch Licht und elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen als eine Vibration beschrieben werden (noch allgemeiner: eine periodische Änderung einer bestimmten physikalischen Größe), die sich räumlich fortbewegt (s. Abb. 1). Show Abb. 1: Bildung und Propagation von Wellen in einem Faden Diese Propagation wird durch die Tatsache verursacht, dass die Vibration an einem bestimmten Ort einen benachbarten Ort beeinflusst. Zum Beispiel resultiert im Fall von Schall die abwechselnde Ausdünnung und Kompression von Luftmolekülen an einem bestimmten Ort in periodischen Veränderungen des lokalen Drucks, die wiederum die Bewegung von in der Nähe befindlichen Luftmolekülen auf diesen Ort zu oder von diesem weg verursachen (s. Abb. 2). Abb. 2: Bildung und Propagation einer Kompressionswelle in Luft – ein Phänomen, das im Sprachgebrauch als Schall bezeichnet wird Im Fall einer elektromagnetischen Welle umfasst der Propagationsmechanismus die gemeinsame Ausbildung periodisch variierender elektrischer und magnetischer Felder und ist bedeutend schwieriger zu verstehen als im Fall von Schall. Dennoch kann das Resultat als eine periodische Änderung einer physikalischen Größe (der Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes) beschrieben werden, die sich räumlich fortbewegt. Die Geschwindigkeit dieser Fortbewegung wird allgemein mit dem Buchstaben c (Einheit: Meter pro Sekunde, m/s) abgekürzt und hängt von der Art der Welle sowie dem Medium ab, in dem sie sich bewegt (vgl. Tab. 1).
Tab. 1: Geschwindigkeit von Licht und Schall in Luft und Wasser. Für optische Strahlung ist die entsprechende Brechzahl in Klammern angegeben. Um die grundlegenden Eigenschaften einer Welle zu beschreiben, wurden folgende Größen für sämtliche Wellenarten definiert:
Eine grundlegende Beziehung zwischen Wellenlänge, Frequenz und Geschwindigkeit resultiert aus der folgenden Überlegung: Ein Berg benötigt die Zeitspanne T, um die Distanz einer Wellenlänge λ vom Ort X zum Ort Y zurückzulegen. Daher ergibt sich die Fortbewegungsgeschwindigkeit c zu Wenn eine Welle von einem Medium in ein anderes überwechselt, bleibt ihre Frequenz erhalten. Falls sich die Geschwindigkeit der Welle in beiden Medien unterscheidet, so sind als Folge auch die Wellenlängen in beiden Medien unterschiedlich. Da die Frequenz einer Welle nicht vom Medium abhängt, das die Welle passiert, ist es zweckdienlicher, die Frequenz statt der Wellenlänge zur Charakterisierung der Welle zu nutzen. In der Akustik ist dies die übliche Vorgehensweise – in den meisten Fällen wird die Tonhöhe von Schall durch seine Frequenz statt durch die Wellenlänge in einem bestimmten Medium (wie z. B. Luft) charakterisiert. In der Optik verhält sich die Situation anders: In den meisten Fällen wird die Wellenlänge statt der Frequenz genutzt, obwohl dies zu gewissen Komplikationen führt. Zum Beispiel besitzt grünes Licht eine Wellenlänge von 520 nm in Vakuum. In Wasser unterscheidet sich die Wellengeschwindigkeit um einen Faktor 1,33, wodurch das gleiche grüne Licht in Wasser eine Wellenlänge von lediglich 520 / 1,33 = 391 nm besitzt. Daher muss bei der Charakterisierung einer Welle anhand ihrer Wellenlänge auch angegeben werden, auf welches Medium sich die Wellenlängenangabe bezieht. Gemäß den Vorgaben der CIE, die auch in diesem Tutorial Anwendung finden, bezeichnet der Begriff „Wellenlänge” die „Wellenlänge in Luft”, es sei denn, es erfolgen andere Angaben. Bei der Anwendung von angegebenen Wellenlängen auf Licht, das sich durch ein anderes Medium als Vakuum bewegt, muss berücksichtigt werden, dass sich die Wellenlänge von Licht gemäß der Gleichung
verhält, wobei und
Warum ändert sich die Wellenlänge im Medium?Jeder Welle ihre Wellenlänge
Beachten Sie, dass die Wellenlänge von der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich die Welle im Medium ausbreitet. Wenn sich also eine Welle von einem Medium in ein anderes bewegt und dabei ihre Geschwindigkeit ändert, ändert sich ihre Wellenlänge, auch wenn ihre Frequenz gleich bleibt.
Warum ändert sich die Frequenz?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.
Wie ändert sich die Wellenlänge wenn die Frequenz erhöht wird?Wenn die Frequenz der Welle erhöht wird, sinkt die Wellenlänge (die Wellengeschwindigkeit c bleibt gleich), da gilt λ = c f . Da der Abstand benachbarter Knoten λ 2 beträgt, sinkt der Knotenabstand mit steigender Frequenz.
Wie verhalten sich Frequenz und Wellenlänge zueinander?Elektromagnetische Wellen sind durch ihre Frequenz f und ihre Wellenlänge l charakterisiert. Die Frequenz läßt sich aus der Wellenlänge l über die Beziehung f=c/l berechnen. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit von 299.792.458 Meter pro Sekunde.
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