Licht als eine elektromagnetische Welle kann mit einer Kombination von zeitabhängigen Vektoren E (elektrisches Feld) und H (magnetisches Feld) charakterisiert werden, die sich im Raum gemäß den von James Clerk Maxwell in der zweiten Hälfte 19. Jahrhunderts eingeführten Maxwell-Gleichungen ausbreitet.
Licht kann mittels mehrerer spektraler Größen gekennzeichnet werden, wie z. B. Frequenz υ:
, wobei ω die Kreisfrequenz ist;
oder Wellenlänge λ: , wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
c ist eine universale physikalische Konstante der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und beträgt genau 299 792 458 m/s.
Üblicherweise wird der Wert von c = 3·108 m/s als eine gute Approximation verwendet.
In jedem Medium außer Vakuum hängt die Lichtphasengeschwindigkeit v (Geschwindigkeit, bei der sich Wellengipfel oder -phase bewegt) vom Brechungsindex n des Übertragungsmediums wie folgt ab [2]:
, wobei n mit der folgenden Gleichung definiert werden kann:
, wobei εr die relative elektrische Permittivität und μr die magnetische Durchlässigkeit des Mediums sind [3]. Der Brechungsindex ist eine Funktion der Wellenlänge.
Die Beziehung zwischen Elektrizität, Magnetismus und Lichtgeschwindigkeit in einem Medium werden in der folgenden Gleichung zusammengefasst:
Welle-Teilchen-Dualismus: Jedes elementare Teilchen weist Eigenschaften nicht nur von Teilchen, sondern auch von Wellen auf. Elektromagnetische Strahlung breitet sich im Einklang mit linearen Wellengleichungen aus, aber kann nur als diskrete Elemente - Photonen - emittiert oder absorbiert werden und daher verhält sich das Licht gleichzeitig wie eine Welle und ein Teilchen.
Die Energie eines Photons E ist proportional zu seiner Frequenz υ und kann mittels der Planck-Einstein-Beziehung oder Planck-Gleichung berechnet werden [4]:
wobei h die Planck-Konstante ist, h = 6,62·10–34 Js oder 4,1356·10–15 eVs.
Konstante: hc = 1,24 eVμm.
Die relative Permittivität von Siliziumdioxid SiO2 beträgt εr = 3,9 und die relative magnetische Durchlässigkeit von SiO2 beträgt μr = 0,53. Berechnen Sie den Brechungsindex von SiO2.
Der Brechungsindex von Siliziumdioxid SiO2 ist: