Joachim Schummer: Vorlesung im Sommersemester 1999:

Einführung in die Geschichte und Philosophie der Physik

Kooperationsveranstaltung der Fakultäten für Physik und für Geistes- und Sozialwissenschaften der Universität Karlsruhe (TH)


 

7. Vorlesung:

Optik: Licht und Sehen

Copyright Ó 1999 by Joachim Schummer

Vorlesungsüberblick

1. Traditionelles Themenspektrum der Optik

2. Theorien des Sehens: Vom Sehstrahl zum Lichtstrahl

2.1 Theorien des Sehens in der griechischen Klassik 2.1.1 Atomistische Theorie: Emission von Bildern
2.1.2 Platons Theorie des Sehstrahls
2.1.3 Aristoteles' Medientheorie


2.2 Geometrische Optik in der Antike

2.2.1 Euklids geometrisch-axiomatische Behandlung des Sehstrahls
2.2.2 Herons mathematisch-physikalische Theorie des Sehstrahls
2.2.3 Ptolmaios’ Experimente zur Lichtbrechung


2.3 Arabische Optik: Alhazens neue ‘Empfangstheorie’

2.4 Keplers Theorie des Netzhautbildes

2.5 Bessere Wahrnehmung durch optische Instrumente?

 3. Die Natur des Lichts: Korpuskular- vs. Wellentheorien 3.1 Überblick über die Entdeckung wichtiger optischer Phänomene

3.2 Lichttheorien zur Erklärung optischer Phänomene

3.3 Kleine Geschichte des Brechungsgesetzes

3.4 Mechanische Ätherkonzeptionen des 19. Jhds.
Wichtige Personen
Euklid (ca. 322-285) 
Heron von Alexandria (1. Jhd. n. Chr.)
Ptolmaios (ca. 100-170)
ibn Sahl (um 985)
ibn al-Heitham (lt. Alhazen, 965-1039)
Robert Grosseteste (1168-1253)
Roger Bacon (ca. 1212-94)
Witelo (geb. ca. 1230)
Leonardo da Vinci (1452-1519) 
Francesco Maurolico (1494-1575) 
Felix Plattner (1536-1614)
Johannes Kepler (1571-1630)
Willebrord Snellius (1591-1626)
J. Marcus Marci (1595-1667)
René Descartes (1596-1650) 
Pierre de Fermat (1601-1665)
Francesco Grimaldi (1618-1663)
Christian Huygens (1629-95)
Robert Hooke (1635-1703)
Isaac Newton (1642-1727)
Olaf Römer (1644-1710)
Leonhard Euler (1707-83)
Etienne Malus (1775-1812)
Thomas Young (1773-1829)
Dominique Arago (1786-1853)
Augustin Fresnel (1788-1827)
Jean Foucault (1819-1868)
Hippolyte Fizeau (1819-96)

Materialien

Etymologie

Traditionelles Themenspektrum der Optik

Euklids geometrisch-axiomatische Behandlung des Sehstrahls

Ansatz:

Postulate: Ableitungen, z.B.:

Herons mathematisch-physikalische Theorie des Sehstrahls

Geradlinigkeit des Sehstrahls:

Je größer die Geschwindigkeit eines Körpers (Pfeils), desto länger bewegt er sich geradlinig.

Geschwindigkeit des Sehstrahls ist unmeßbar groß (instantane Wahrnehmung der Fixsterne); also bewegt sich der Sehstrahl geradlinig.

 Reflexionsgesetz: Annahme: der Sehstrahl geht den kürzesten Weg vom Auge über den Spiegel zum Gegenstand.

Mathematischer Beweis: der kürzeste Weg ist der, bei dem Einfallswinkel und Ausfallswinkel bei der Reflexion gleich sind.

 Reflexionsfläche: Je glatter eine Oberfläche poliert ist, desto besser reflektiert sie den Sehstrahl, weil dieser sonst in Poren eindringt.

Rekonstruktion von Ptolmaios’ Experimenten zur Lichtbrechung


Variation des Einfallswinkels a um ± 10°. 

Medienkombinationen: 
    • Luft/Wasser
    • Luft/Glas
    • Glas/Wasser
Ergebnisse: 
    • für jede Medienkombination: a~b mit charakteristischer Konstante
    • a=0 Þ b=0
    • Wasser/Luft: Totalreflexion bei a>50°.

Geometrie des Sehens bei Alhazen
(nach Lindberg, S. 153)

Descartes’ Veranschaulichung von Keplers Theorie des Netzhautbildes
(aus: Diotrik, 1637)

Überblick über Entdeckungen wichtiger optischer Phänomene (1)


Phänomen Entdeckung
Reflexion prähistorisch
Brechung prähistorisch
Dispersion am Prisma (arabisch?) 

1597: Maurolico: Vergleich mit Regenbogen

1648: Marci: Vollständige Dispersion am Doppelprisma

1704: Newton: ‘Re-Dispersion’ mit Sammellinse
Newtonsche Ringe 1663: Boyle 
Beugung am Gitter 1665: Grimaldi (posthum): Reflexion an feingeritzter Metallplatte
Interferenz 1665: Grimaldi (posthum): Doppelspalt
Doppelbrechung 1669: Bartholinus: Kalkspat
Polarisation 1808: Malus: Drehwinkelabhängigkeit des Durchgangs von reflektierter Strahlen durch Kalkspat
Polarisationsdrehung 1811: Arago: Quarzplatte zwischen Analysator und Polarisator
Interferenz linear polarisierter Strahlen 1819: Arago/Fresnel: parallel polarisierte Strahlen interferieren, senkrecht polarisierte Strahlen interferieren nicht
 
Lichtgeschwindigkeit 

 

 1676: Römer: Differenz zwischen Berechnung und Messung der Jupitermondbahn 

1728: Bradley: Abberation der Fixsterne

1849: Fizeau: Rückreflexion durch Rotierendes Zahnrad

1862: Foucault: Interferenz zwischen direktem und reflektiertem Strahl; verschiedene Medien
Dopplereffekt 1869: Zöllner: gemessen an rotierendem Doppelstern
(vorausgesagt von Chr. Doppler 1842/7)

Überblick über Entdeckungen wichtiger optischer Phänomene (2)


Lumineszenz 
Thermo-Lumineszenz
Bio-Lumineszenz
Phosphoreszenz
Mechano-Lumineszenz
Fluoreszenz
Chemo-Lumineszenz
Elektro-Lumineszenz 
   
prähistorisch, z.B. Metallglühen bei Erhitzen
prähistorisch, z.B. Glühwürmer
antike Beispiele
1559 Porta: Funken beim Zerbrechen von Zucker
1663 Boyle, 1671: Kircher
(18. Jhd.?): z.B. Phosphor 
(19. Jhd.?): elektrische Gasentladung
 
Absorptionsphotometrie 1760: Lambert: Farbabhängigkeit der Extinktion verschiedene Stoffe, Konzentrationsabhängigkeit bei Lösungen 
Spektrallinien (Emission, Absorption) 1802: Wollaston: Sonnenspektrum (qualitativ)

1817: Fraunhofer: Sonnenspektrum, elektrischer Funke, Kerze

1823: Brewster/Herschel: Flammenspektroskopie mit Salzen

1833: Miller: Absorptionsspektren von Gasen (Br, J)
Photo-chemische Effekte 1727: Schulze: Silbersalzzersetzung unter Licht

1857: Bunsen/Roscoe: photoinduzierte Gasreaktion (HCl), chem. Photometer
Magneto-optische Effekte 

 

 1845: Faraday-Effekt: Drehung der Polarisationsebene beim Strahlendurchgang durch Stoffe im Magnetfeld

1877: Kerr-Effekt: Drehung der Polarisationsebene bei Reflexion an Magnetpolflächen

1896: Zeemann-Effekt: Aufspaltung der Spektrallinien von Stoffen im Magnetfeld
Photo-elektrische Effekte 1873: W. Smith: Belichtungsabhängigkeit der Leitfähigkeit von Selen

1870er: Fritts: Elektrisches Potential bei Bestrahlung von Selen

1887/88: Hertz/Hallwachs: Belichtungsabhängigkeit der el. Funkenübertragung / el. Entladung

Kleine Geschichte des Brechungsgesetzes

1. Experimentelle Ableitungen

  • Ptolmaios (2. Jhd.): Experimentelle Winkelmessung (± 10°): a~ b
  • ibn Sahl (ca. 985): implizit sin a ~ sin b
  • Alhazen (11. Jhd.): a ~ |a –b |
  • Kepler (1611): Experimentelle Abweichung von a~ b bei a >15°
  • Snellius (ca. 1620): sin a ~ sin b
    •  2. Mathematisch-metaphysische Begründungen  
      Annahme zur Lichtgeschwindigkeit im opt. dichteren Medium Erklärung
    Descartes (1637) größer (vertikale Komponente) Korpuskularmechanismus
    Huygens (1690) kleiner Wellenmechanismus
    Newton (1704) größer Korpuskularmechanismus
     
    Fermat (1679) kleiner Licht/Natur geht den schnellsten Weg (Minimalprinzip der Zeit)
    Leibniz (1682) kleiner Licht/Natur geht den Weg des kleinsten Widerstands (Minimalpr. des Widerstandes)
    Maupertuis (18.Jd.) größer Licht/Natur geht den Weg des kleinsten Wirkung (Minimalpr. der Wirkung, v*s)
     
    Fizeau & Foucault 
    (1849-62)    		 Experimentell: kleiner  
    Descartes’ Deutung des Brechungsgesetzes


    AC = CF

    sin a = AD/AC 

    sin b = EF/CF =EF/AC

    Þ sin a / sin b = AD/EF 

     Annahmen: horizontale Lichtgeschwindigkeitskomponente gleich;

    vertikale Lichtgeschwindigkeitskomponente in Wasser größer als in Luft

      Mathematische Folgerung: Für beliebige a gilt: sin a / sin b ~ vWasser /vLuft


     

    Literatur

    Authier, Michel: "Die Geschichte der Brechung und Descartes’ ‘vergessene’ Quellen", in: Elemente einer Geschichte der Wissenschaften, S. 445-85.

    Cantor, G.N.: "Physical Optics", in: Companion to the History of Modern Science, S. 627-38.

    Cantor, G.N.; Hodge, M.J.S.: Conceptions of ether. Studies in the history of ether theories, 1740-1900, Cambridge, Cambridge UP, 1981.

    Eastwood, Bruce S.: Astronomy and optics from Pliny to Descartes. Texts, diagrams and conceptual structures, London, Variorum, 1989.

    Hakfoort, Casper: Optics in the Age of Euler, Cambridge, Cambridge UP, 1995.

    Hoppe, Edmund: Geschichte der Optik, Leipzig, Weber 1926 [Nachdruck: Wiesbaden, Sändig, 1967]. (UB)

    Kipnis, Nahum: History of the principle of interference of light, Basel, , 1991. (FBP)

    Lindberg, David C.: Theories of vision from al-Kindi to Kepler, Chicago-London, Chicago UP, 1976 [dt.: Auge und Licht im Mittelalter: die Entwicklung der Optik von Alkindi bis Kepler, Frankfurt/M., Suhrkamp, 1987]. (BLB)

    Park, David: The fire within the eye. An historical essay on the nature and meaning of light, Princeton/NJ, Princeton UP, 1997.

    Rashed, Roshdi: "Geometrical opticts" in: Encyclopedia of the History of Arabic Science, Bd. 2, S. 643-71.

    Ronchi, Vasco: The nature of light. An historical survey, London, Heinemann, 1970.

    Russell, Gül A.: "The Emergence of physiological optics", in: Encyclopedia of the History of Arabic Science, Bd. 2, S. 672-715.

    Sabra, Abd-al-Hamid I.: Theories of light from Descartes to Newton, London, Oldbourne, 1967.

    Schmitz, Emil-Heinz: Handbuch zur Geschichte der Optik, 5 Bde. & Suppl., Bonn, 1981 ff. (UB)

    Simon, Gérard: Der Blick, das Sein und die Erscheinung in der antiken Optik, München, Fink, 1992. [i.O.: Le regard, l'être et l'apparence dans l'optique de l'antiquité, ]

    Weiss, Richard J.: A brief history of light and those that lit the way, Singapore, World Scientific, 1996.

    Wilde, Emil: Geschichte der Optik. Vom Ursprunge dieser Wissenschaft bis auf die gegenwärtige Zeit, 2 Bde., 1838-43, (I: Von Aristoteles bis Newton; II: Von Newton bis Euler) [Nachdruck: Wiesbaden : Saendig, 1968]. (UB)