vorherige Seite
zum Inhaltsverzeichnis
nächste Seite
Licht ist ein Phänomen, welches wir
in der Natur vielfältig beobachten können. Eine Definition des
Begriffs erscheint genauso schwierig wie eine Definition vom Begriff Farbe,
weil Licht in seinem Wesen nicht "fassbar" ist.
Bild
vergrößern
Licht wird durch den Filter des Auges
und dem Gehirn wahrgenommen. Besonders gut nehmen wir es jedoch war, wenn
Licht in Verbindung mit Schatten auftritt. Licht und Schatten wurde von
vielen Malern zur Darstellung von besonderen Stimmungen und Situationen
eingesetzt.
Das Licht als Symbol für den Gegensatz
zur Finsternis steht meist in Verbindung mit einer Erleuchtung oder einer
neuen Erkenntnis (siehe auch die Wirkung der Farbe Gelb).
Oft wird Licht als Symbol für Nicht-Materielles (Geist, Gott, Lebensglück)
verwendet. Die folgende Darstellung vom Licht als physikalisches Phänomen
soll zeigen, wie schwierig es ist, Licht naturwissenschaftlich und begrifflich
zu erfassen.
Wie entsteht Licht?
Erhitzt man ein Metallstück, beginnt
es nach einiger Zeit zu glühen. Bei diesem Vorgang wird Wärmeenergie
in Licht umgewandelt. Je heißer das Metallstück ist, umso höher
ist auch die Lichtausbeute:
´
|
Temperatur
|
Glühfarbe
|
|
+ 700 °C
|
dunkelrot
|
|
+ 900°C
|
kirschrot
|
|
+ 1000°C
|
hellkirschrot
|
|
+ 1100 °C
|
dunkelorange
|
|
+ 1200 °C
|
hellorange
|
|
+ 1300°C
|
weiß
|
Führt man den Metallatomen Wärmeenergie
zu, werden die Atome in einen angeregten Zustand versetzt, wobei sie Licht
aussenden. Licht kann durch folgende Vorgänge gewonnen werden:
1. durch Verbrennungen aus chemischer
Energie (z. B. Flamme)
2. durch Umwandlung aus elektrischer Energie
(z. B. Glühlampe)
3. durch Umwandlungen von Atomkernen (z.
B. in der Sonne)
In der Sonne verschmelzen die Kerne von
Wasserstoffatomen zu Heliumkernen. Dabei werden riesige Energiebeträge
erzeugt, die als Wärme oder Licht in das Weltall abstrahlen. Die Oberflächentemperatur
der Sonne beträgt mehr als 6000°C. Auf den Erdball trifft allein
eine Wärmestrahlung von etwa 175 Milliarden Megawatt (MW).
Was
ist Licht?
Bereits im Jahre 1690 ordnete der niederländische
Physiker Christiaan Huygens dem Licht - in Anlehnung an die Schallwellen
- eine Wellennatur zu. Im 19. Jahrhundert untermauerten die Theorien des
Physikers James Clerk Maxwell die Annahme, dass sich Licht als elektromagnetische
Welle fortbewegt.
Die meisten elektromagnetischen Wellen
wie Radiowellen oder die Röntgenstrahlung sind für unser Auge
nicht sichtbar. Die Wellen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge:
Rundfunkwellen können mehrere hundert Meter lang sein, während
die kosmische Höhenstrahlung Wellenlängen im kaum vorstellbaren
Bereich von Millionstel Nanometer (1nm = 1 Milliardstel Meter) besitzt.
Die Wellenlänge des für uns sichtbaren Lichts liegt zwischen
770nm und 400nm und wird als optisches Spektrum
bezeichnet. Das optische Spektrum selbst wiederum ist aus verschiedenen
elektromagnetischen Wellen zusammengesetzt, die in unseren Augen unterschiedliche
Farbwahrnehmungen erzeugen:
Bild
vergrößern
Der Londoner Arzt Thomas Young erkannte
im Jahre 1817, dass sich Lichtwellen nicht wie die Schallwellen als longitudinale
Schwingungen, sondern transversal fortbewegen. Transversale Wellen schwingen
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Grafik).
Das Auge besitzt
auf der Netzhaut drei verschiedene Farbsinneszellen
(rot, grün, blau). Werden diese gleichzeitig angeregt, erhält
man den Farbeindruck Weiß. Weißes Licht kann als Mischung von
mehreren elektromagnetischen Wellen aus dem optischen Spektrum bezeichnet
werden. Die "Additive Farbmischung"
erbringt einen experimentellen Beweis: Weißes Licht wird durch das
Mischen von mehreren farbigen Lichtquellen erzeugt.
Albert Einstein hat darauf hingewiesen,
dass Licht auch eine andere Gestaltform annehmen kann. Er behauptete im
Jahre 1905, dass Licht neben seiner Wellennatur auch Teilchencharakter
besitzen muss, da es beim Auftreffen auf eine Metallplatte Elektronen aus
der Platte herausschlagen kann. Er bezeichnete die "Lichtteilchen"
als Photonen. Der beschriebene Effekt
wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet und ist die technische Grundlage
für die photovoltaische Gewinnung von Strom aus
Sonnenlicht.
Die Eigenschaft des Lichts, sich sowohl
wie eine Welle als auch wie ein Teilchen verhalten zu können, ist
eines der merkwürdigsten Phänomene in der Natur überhaupt.
Für dieses Phänomen des "Sowohl-als-auch" prägte Niels Bohr
den Begriff der Komplementarität.
Ganz entscheidend dabei ist die Anordnung des Aufbaus für die Versuche,
um Eigenschaften über das Licht herauszubekommen. Ein Versuchsaufbau
beweist die Wellennatur des Lichts, ein anderer Aufbau jedoch seine Teilchennatur.
Seit dieser Feststellung nimmt man an, dass die Objekte der Natur nicht
eindeutig festgelegt sind, sondern dass der Mensch selbst zu einem Stück
weit entscheiden kann, wie die Natur ist. Manche Philosophen gehen noch
wesentlich weiter und behaupten, dass die Natur (und alles was in ihr lebt
und entsteht) ein reines Gedankengebäude des Menschen sei. Sie würde
erst dann zu existieren beginnen, wenn sie der Mensch "erdenkt". Diese
philosophische Richtung nennt man Konstruktivismus.
Wie
bewegt sich Licht?
Das von der Sonne ausgestrahlte Licht
breitet sich kreisförmig und geradlinig von der Sonne weg im Weltall
aus, sofern es nicht gestört wird. Das Licht kann nicht stehen bleiben,
es legt in einer Sekunde eine Entfernung von 300000 Kilometern zurück.
Diese Geschwindigkeit wird als Lichtgeschwindigkeit
bezeichnet. Sie ist die größte bisher gemessenene Geschwindigkeit
und kann wahrscheinlich nicht übertroffen werden.
Licht bewegt sich solange geradlinig und
ungestört, bis es auf ein Hindernis trifft oder durch ein Hindernis
manipuliert wird:
a) Die Absorption
von Licht
Stellt sich dem Sonnenlicht ein Planet
in den Weg, so entsteht hinter dem Planeten ein Schatten. Beim Halbmond
sieht man beispielsweise den von der Seite beschienenen Mond. Die der Sonne
abgewandte Seite erscheint dunkel, während die sichtbare Sichel von
der Sonne bestrahlt wird.
Erde und Mond (Foto:
NASA)
Die Sichel kann nur deshalb gesehen werden,
da ein Teil des Lichts von der Mondoberfläche zurückgeworfen
wird. Ein erheblicher Teil des Lichtes aber wird von der Mondoberfläche
zurückgehalten und in Wärmeenergie umgewandelt. Dieses Phänomen
nennt man Absorption. Es erklärt
auch die extremen Temperaturen auf der Mondoberfläche: An einem Mondtag
betragen sie bis zu +120°C, während sie in der Mondnacht auf -150°C
abfallen.
Eine schwarze Fläche heizt sich unter
Sonneneinstrahlung mehr auf als eine weiße. Dies liegt an der besonders
guten Absorptionsfähigkeit der "Farbe" Schwarz. Schwarze Flächen
eignen sich aus diesem Grunde zum Bau von Wärmespeichern, z. B. im
Sonnenkollektor. Dieser besitzt als Absorptionsfläche eine dunkle
Fläche, die einen Wasserkreislauf heizt:
b) Die Reflexion
von Licht
Gegenstände, die für unsere
Augen farbig erscheinen, werfen ganz bestimmte Lichtstrahlen zurück.
Ein blaues Pigment absorbiert alles Licht, das
nicht im blauen Wellenbereich liegt. Das Licht im "blauen" Bereich zwischen
450 und 500nm strahlt von der Oberfläche des Pigments zurück.
Dieses Phänomen heißt Reflexion.
Wird das Licht wie bei einem Pigment in alle Richtungen
gestreut, spricht man von einer diffusen Reflexion. Bei sehr glatten Oberflächen
z. B. bei Spiegeln wird sämtliches Licht einheitlich reflektiert,
so dass der Einfallswinkel immer dem Ausfallswinkel entspricht (spiegelnde
Reflexion):
|
|
Die Sonnenstrahlen, welche auf die Erdoberfläche
treffen, werden teilweise absorbiert, aber auch reflektiert. Bei der Absorption
wird das kurzwellige Sonnenlicht in Wärmeenergie umgewandelt, die
als langwellige Wärmestrahlung wieder an die Erdatmosphäre abgegeben
wird. So entsteht der natürliche Treibhauseffekt.
Ohne diesen Mechanismus wären die Bedingungen auf der Erdoberfläche
mit dem Mond vergleichbar.
c) Die Streuung
von Licht
Bei der diffusen Reflexion an der relativ
rauhen Oberfläche des Pigments wurde das Licht in viele Richtungen
reflektiert. Dieses Phänomen einer Streuung
des Lichts in alle möglichen Richtungen kann auch in der Erdatmosphäre
beobachtet werden: Der Tageshimmel erscheint nicht schwarz (sondern hell,
bzw. blau), da das Sonnenlicht an den Luftmolekülen und den Staubteilchen
diffus gestreut wird. Die Wahrscheinlichkeit der Streuung von Lichtwellen
nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu. Dies bedeutet, dass der blaue
Anteil des Sonnenlichts wesentlich stärker von der Luft gestreut wird
als der rote oder der gelbe Bereich. Aus diesem Grund erscheint der Tageshimmel
auf der Erde blau. Bei Planeten ohne Atmosphäre (z. B. beim Mond)
ist er dagegen schwarz.
Kolloide
Lösungen streuen das Licht (Tyndall-Effekt)
Das Phänomen der Streuung kann auch
durch ein eigenes Experiment beobachtet werden: Durch einen Glasbehälter
mit Wasser wird mit Hilfe einer Taschenlampe ein fein gebündelter
Lichtstrahl geschickt. Dann tropft man einige Tropfen Milch in das Wasser:
Die mikroskopisch kleinen Fett-Tröpfchen streuen den Lichtstrahl (vgl.
auch >Tyndall-Effekt).
d) Die Brechung
von Licht
Stellt man einen Stab in einen Behälter
mit Wasser, erscheint der Stab geknickt. Dieses Phänomen ist durch
eine besondere Eigenschaft des Lichts erklärbar: Lichtstrahlen, welche
in durchsichtige Materialien eindringen, ändern bei Eintritt an der
Grenzfläche ihre Richtung. Leitet man einen gebündelten Lichtstrahl
in einem schrägen Winkel in Wasser, so wird er am Übergang zwischen
Luft und Wasser abgeknickt.
Der Brechungswinkel (ß) kann berechnet
werden, wenn die sogenannten Brechzahlen
(n) der beiden Medien bekannt sind.
Berechnung des Brechungswinkels
(ß)
Aufgrund des Phänomens der Brechung
von Licht erscheinen Objekte, welche im Wasser liegen, näher an der
Oberfläche wie sie tatsächlich sind. So wird auch meistens die
Wassertiefe von glasklaren Gewässern viel zu gering eingeschätzt.
Ein besonderes
Medium stellt das Prisma dar. Schickt man weißes Licht durch ein
Prisma, werden die verschiedenen Lichtwellenanteile des Lichts an den beiden
Grenzflächen zweimal gebrochen. Kurzwelliges Licht wird generell stärker
gebrochen als langwelliges, daher kann mit Hilfe eines Prismas weißes
Licht in seine Wellenanteile zerlegt werden. Dieses Phänomen der Dispersion
wurde erstmals von Isaac Newton in dem 1704 erschienenen Buch "Optik" beschrieben.
Kurzwelliges Licht
bricht sich am Prisma stärker als langwelliges (Dispersion)
Dispersion kann auch in der Natur eindrucksvoll
beobachtet werden: Im Regenbogen brechen die feinen Wassertröpfchen
die Sonnenstrahlen und zeigen dadurch das Spektrum des weißen Sonnenlichts.
Dem Farbenfeuer eines geschliffenen Diamanten oder dem farbigen Glitzern
eines Tautropfens liegt dasselbe Phänomen zugrunde.
e) Totalreflexion
Trifft ein Lichtstrahl ganz flach auf
eine Grenzschicht (d. h. der Einfallswinkel alpha beträgt nahezu 90°),
dann wird der Strahl nicht mehr gebrochen, sondern vollständig reflektiert,
es erfolgt Totalreflexion. Aufgrund
dieser Eigenschaft kann man Licht in Lichtleiterkabeln transportieren.
Diese bestehen im Innern aus Glasfasern, welche einen großen Einfallswinkel
ermöglichen. Durch vielfache Totalreflexion (bis zu 20000 mal pro
Meter) wird das Licht im Glasfaserkabel transportiert. Mit Hilfe eines
Lichttonsenders können Wechselspannungssignale in Lichtsignale umgewandelt
werden, die in das Glasfaserkabel eingeschleust werden. Ein Lichttonempfänger
am Ende des Glasfaserkabels empfängt die Lichtsignale und wandelt
sie wieder in elektrische Signale um. Auf diese Weise können Informationen
(z. B. Telefon) über große Strecken ohne Stromverlust übertragen
werden:
Ein Glasfaserkabel
transportiert Licht, welches Informationen trägt
f) Die Interferenz
von Licht
Das Phänomen der Interferenz kann
in der Natur und in der Technik vielfältig beobachtet werden: Das
regenbogenfarbige Schillern von Perlen oder Perlmuttmuscheln, das farbige
Schillern von Seifenblasen oder von Öl auf der Straße, das Farbenspiel
des Labradorits und das vielfältige Farbenspiel eines Schmetterlingsflügels
weisen auf das Phänomen der Interferenz hin. Interferenzlicht ensteht
immer dann, wenn Lichtwellen durch unterschiedliche Reflexion
übereinander gelagert werden.
Dies soll am Beispiel der Schalen von
Perlen oder von Perlmuttmuscheln erläutert werden. Die Schalen bestehen
aus einer Kombination von mehreren hauchdünnen Schichten, die abwechselnd
aus einer dünnen, transparenten Kalkschicht und einer noch dünneren
Eiweißschicht aufgebaut sind. Trotz ihres mikroskopisch dünnen
Aufbaus, variieren die Schichten in ihrer Dicke. Die Wellenanteile des
Lichts werden unterschiedlich stark reflektiert und es entsteht eine mehrfache
Überlagerung von interferierenden Lichtwellen. Das Ergebnis ist der
typisch schillernde "Regenbogeneffekt" der Muschelschale.
Beim Doppelspaltexperiment trifft Licht
auf eine Trennwand mit zwei schmalen, parallelen Schlitzen. Auf dem Weg
durch die Schlitze legt das Licht bis zum Auftreffen auf dem dahinter liegenden
Schirm unterschiedliche Entfernungen zurück. Daher kommen die Lichtstrahlen
nicht phasengleich beim Schirm an. An einigen Stellen heben sich die Wellen
gegenseitig auf, an anderen addieren sie sich. Als Ergebnis ist ein typisches
Muster von hellen und dunklen Interferenzstreifen zu sehen (>Grafik).