Lichtwellen

Das Licht ist der im Allgemeinen für den Menschen sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Dieser erstreckt sich von etwa 380 bis 780 Nanometer (nm) Wellenlänge, was einer Frequenz von etwa 789 bis herab zu 385 THz entspricht. Eine genaue Grenze lässt sich jedoch nicht angeben, da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges an den Grenzen des Lichtspektrums nicht abrupt, sondern allmählich abnimmt. In der Physik steht der Begriff Licht auch für das gesamte elektromagnetische Wellenspektrum, Lichtverhältnisse und Phänomene der Physiologie werden unter Helligkeit zusammengefasst.

Der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung

Wissenschaft

Physiologie

Warnung vor gefährlicher optischer Strahlung

Die unterschiedlichen spektralen Absorptionsfaktoren der Pigment-Moleküle (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in den drei verschiedenen Typen von Sehzapfen und in den Stäbchen des menschlichen Auges (V-Lambda-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Die Sehzapfen ermöglichen durch das schmalere Absorptionsspektrum ihrer Pigmente die Farbwahrnehmung. Die Sehstäbchen enthalten als Pigment das Rhodopsin-Molekül, das ein breiteres Absorptionsspektrum hat. Sie sind empfindlicher als die Sehzapfen und registrieren die Lichtstärke.

Die Farbwirkung des physiologischen Sehens beruht auf der unterschiedlichen spektralen Absorption durch die Pigmente in den Sehzapfen. Die verschiedenen wahrgenommenen Farben entsprechen Licht mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen. Werden aus Licht mit gleichmäßiger Spektralverteilung bestimmte Wellenlängen absorbiert, entsteht aus den verbliebenen Wellenlängen der Farbeindruck (Komplementärfarbe). Ein grünes Blatt absorbiert demnach nicht im Wellenlängenbereich „grün“ sondern im komplementären Bereich „rot“ (680 nm) und „blau“ (430 nm). Siehe hierzu Chlorophyll.

Das in der Umwelt vorkommende Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Wellenlängen. Durch ein optisches Gitter oder ein Prisma kann man dieses mehrfarbige Licht in seine einfarbigen Bestandteile zerlegen. Jeder dieser monochromatischen Lichtkomponenten entspricht ein spezifischer menschlicher Farbeindruck, die so genannten Spektralfarben oder Regenbogenfarben. In der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge findet man:

Das Farbspektrum des Lichts für Strahlung mit den Wellenlängen von 380 – 710 nm.
Hinweis: Am Computerbildschirm lässt sich vom Farbspektrum des Lichts nur ein sehr begrenzter Eindruck machen (dieses Bild), da dieser nur drei Grundfarben und deren Überlagerungen darstellen kann. Vor allem in den Zwischentönen und beim Übergang ins Infrarote und Ultraviolette stößt die Anzeigetechnik an ihre Grenzen.

Wellenlängenbereiche der Spektralfarben

Farbton	Wellenlänge	Wellenfrequenz	Energie pro Photon
Violett	380 – 420 nm	789,5 – 714,5 THz	3,26 – 2,955 eV
Blau	420 – 490 nm	714,5 – 612,5 THz	<2,95 – 2,535 eV
Grün	490 – 575 nm	612,5 – 522,5 THz	2,53 – 2,165 eV
Gelb	575 – 585 nm	522,5 – 513,5 THz	2,16 – 2,125 eV
Orange	585 – 650 nm	513,5 – 462,5 THz	2,12 – 1,915 eV
Rot	650 – 750 nm	462,5 – 400,5 THz	1,91 – 1,655 eV

Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition und Denken bedingt. Die in verschiedenen Sprachen (ursprünglich) vorkommenden Wörter für Farben belegen dies.

Die einzelnen Farbbereiche enthalten jeweils verschiedene Farbtöne. So ist der Zwischenbereich zwischen Blau und Grün etwa mit Türkis oder Cyan zu bezeichnen. Andere wahrgenommene Farben (beispielsweise Braun) ergeben sich bei Licht durch subtraktive Farbsynthese aus gefiltertem weißem Licht oder indem mehrere Wellenlängen zusammen vorkommen (additive Farbmischung).

Elektromagnetische Strahlung jenseits der menschlichen Grenze der Sichtbarkeit mit niedrigerer Wellenlänge als violett wird bis zu einer bestimmten Frequenz als Ultraviolett- oder UV-Strahlung bezeichnet, solche mit größerer Wellenlänge als rot bis zu einer bestimmten Wellenlänge als Infrarotstrahlung. Die Bandbreite des für Tiere sichtbaren Lichts weicht zum Teil erheblich vom menschlichen Sehen ab.

Physik

Die Hauptquelle des Lichtes auf der Erde ist die Sonne (Sonnenlicht). Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstofflampen, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht.

Aus physikalischen Experimenten - wie dem Young’schen Doppelspaltexperiment - folgt zum einen, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Zum anderen folgt aus Experimenten zur Beobachtung des Compton-Effekts der Teilchencharakter des Lichtes. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist durch die Quantenphysik aufgeklärt in dem Sinne, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Max Born versuchte diesen scheinbaren Widerspruch zu klären, indem er die „Welle“ als stochastisches Führungsfeld annahm und interpretierte, dass die Amplitude der Welle an einem bestimmten Ort der Wahrscheinlichkeit entspricht, ein Teilchen an diesem Ort zu finden. Die physikalisch genaueste Theorie des Lichtes ist die Quantenelektrodynamik.

Das Teilchenmodell postuliert Lichtteilchen (Photonen); sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich unabhängig vom Bewegungszustand des Betrachters (siehe Michelson-Morley-Experiment) und unabhängig vom Medium mit der Lichtgeschwindigkeit c. Die Lichtgeschwindigkeit spielt eine entscheidende Rolle in der Relativitätstheorie, da diese die Grenzgeschwindigkeit aller Bewegungen darstellt. Im Innern von Materie sinkt die Geschwindigkeit eines Photons mit steigender Brechzahl zwar ab, aber die Photonen bewegen sich zwischen den Teilchen weiterhin mit Lichtgeschwindigkeit. Durch Absorption und Emission kann sich das Fortpflanzen einer Lichtwelle stark verzögern. Ein im Mittelpunkt der Sonne erzeugtes Photon benötigt etwa 10.000 bis 170.000 Jahre, um sie zu verlassen.^[1]

Gemäß der speziellen Relativitätstheorie besitzt ein Photon zwar keine Ruhemasse, transportiert aber eine Energie, der eine Masse zugeordnet werden kann. Wie alle Objekte wird Licht gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie dennoch in Gravitationsfeldern abgelenkt, da diese den Geodäten der Raumzeit folgen müssen. Weiterhin erzeugen sie selbst ebenfalls ein eigenes Gravitationsfeld, welches sich etwa in einem Ringlaser nachweisen lässt.

Neben der Farbe bzw. Wellenlänge und der zugehörigen Frequenz wird Licht auch durch die Eigenschaften Kohärenz und Polarisation charakterisiert.

Vollständig lichtdurchlässige Gegenstände bezeichnet man als „durchsichtig“ bzw. „transparent“. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als „opaque“ oder „opak“ bezeichnet (siehe „Opazität“). Nicht lichtdurchlässige Objekte bezeichnet man auch als „undurchsichtig“.

Biophysik

Bei den autotrophen Organismen wird die Energie des absorbierten Lichtes in chemischen Verbindungen gespeichert (siehe Photosynthese).

Chemie

Bei organischen Farbstoffen können delokalisierte π-Elektronen durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert.

Bei anorganischen Farbstoffen können auch Elektronen aus den d-Orbitalen eines Atoms in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt werden (siehe Ligandenfeldtheorie). Des Weiteren können diese Farbstoffe ihre Position zwischen Zentralion und Ligand innerhalb eines Komplexes wechseln (siehe auch Charge-Transfer-Komplexe und Komplexchemie).

Größen und Einheiten

• Die Lichtgeschwindigkeit (c) ist unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters und sinkt in Medien gegenüber der Vakuumlichtgeschwindigkeit ab. Sie beträgt im Vakuum 299.792.458 Meter pro Sekunde.
• Die Lichtfarbe ist von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Diese wiederum ist umgekehrt proportional zur Energie der Lichtquanten.
• Die Polarisation des Lichtes beschreibt die Orientierung der elektrischen bzw. magnetischen Feldvektoren des Lichtes im Raum. Das flach an dielektrischen Flächen reflektierte Licht sowie das Licht des blauen Himmels ist teilweise linear polarisiert, während das Licht von Glühlampen und der Sonne keine Vorzugsrichtung der Polarisation aufweist. Linear und zirkular polarisiertes Licht spielen in der Optik und Lasertechnik eine große Rolle.
• Lichtstrom (Lumen)
• Lichtmenge (Lumensekunde)
• Lichtstärke (Candela)
• Leuchtdichte (Candela/m²)
• Beleuchtungsstärke (Lux)
• Der Lichtdruck (Newtonsekunde) ist die physikalische Kraftwirkung des Lichtes auf Teilchen oder Gegenstände und spielt aufgrund seines geringen Betrages nur in der Schwerelosigkeit eine merkliche Rolle.
• Die Farbtemperatur (Kelvin) ist die der Temperatur eines schwarzen Strahlers zugeordnete Lichtfarbe einer Lichtquelle, um diese hinsichtlich ihres Farbeindruckes zu klassifizieren.
• Das Lichtjahr (Lj, ly) ist eine in der Astronomie verwendete Längeneinheit, welche die während eines Jahres vom Licht zurückgelegte Strecke angibt.

Licht in der Gesellschaft

Licht ist, wie Feuer, eines der bedeutendsten Phänomene für alle Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht aus Lampen ermöglicht dem Menschen heutzutage ein angenehmes und sicheres Leben auch bei terrestrischer Dunkelheit (Nacht) und in gedeckten Räumen (Höhlen, Gebäuden). Technisch wird die Funktionsgruppe, die Licht erzeugt, als Lampe oder Leuchtmittel bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eine Leuchte. „Licht“ und „Leuchte“ werden auch als Symbole für Intelligenz verwendet (vgl. Lichtblick, Aufklärung). Ein Mangel an Intelligenz wird auch als „geistige Dunkelheit“ oder „geistige Umnachtung“ bezeichnet. Im Christentum steht das Licht in der Selbstbezeichnung Jesu Christi für die Erlösung des Menschen aus dem Dunkel der Gottesferne. In der biblischen Schöpfungsgeschichte ist das Licht das erste Werk Gottes.

Licht aus Sicht des Deutschen Gesetzgebers

Licht zählt als ein Umweltfaktor zu den Immissionen i. S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG). Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Wohn- und Schlafbedürfnis von Menschen und Tieren erheblich stören und auch technische Prozesse behindern. Entsprechend sind in der sog. „Licht-Richtlinie“ der Länder (in Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen) Blendung festgelegt. Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- bzw. Immissionsschutzbehörden der jeweiligen Bundesländer . Negative Auswirkungen betreffen die Verkehrssicherheit (Navigation bei Nacht, physiologische Blendung z. B. durch falsch eingestellte Autoscheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen), Einflüsse auf die Tierwelt (z. B. Anziehen nachtaktiver Insekten, Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung der Atmosphäre (Lichtverschmutzung, die z. B. astronomische Beobachtungen infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels behindert).

Nachweis

Licht kann am einfachsten mit dem Auge nachgewiesen werden, dementsprechend spielt das Auge eine wichtige Rolle bei der direkten Beobachtung von Vorgängen, an denen Licht beteiligt ist. Zwischen den verschiedenen Spezies gibt es große Unterschiede in Bezug auf den Aufbau, das örtliche und zeitliche Auflösungsvermögen, die Empfindlichkeit und das detektierbare Spektrum des Auges.

Der Fotografische Film spielte bei der Erforschung der Natur des Lichtes eine große Rolle: Man konnte durch lange Belichtung geringste Lichtintensitäten von fernen Sternen und deren Spektren dokumentieren.
Fotografische Schichten können für verschiedene Bereiche des Spektrums sensibilisiert werden.

Optische Strahlungsdetektoren nutzen meist den äußeren (Fotozelle, Vidicon, Bildverstärker, Photomultiplier) und inneren (Halbleiterdetektoren wie Fotodiode, Fototransistor, Fotowiderstand) photoelektrischen Effekt. Komplexe Sensoren (Zeilensensoren und Flächensensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen, arbeiten ebenfalls mit Halbleiterdetektoren. Farbsensoren arbeiten mit mehreren, hinter verschiedenen Filtern liegenden Fotodetektoren.

Die Fluoreszenz und die Photolumineszenz dienen vor allem dem Nachweis von Infrarot und Ultraviolett, indem das erzeugte sichtbare Licht ausgewertet wird.

Licht lässt sich auch durch seine thermische Wirkung nachweisen. Auf diesem Prinzip beruhen die vorrangig zur Demonstration und Dekoration dienenden Lichtmühlen, die in der Astronomie verwendeten Bolometer zur Vermessung der Strahlungsleistung astronomischer Lichtquellen, sowie thermische Leistungsmesser für Laserstrahlen hoher Leistung.

Siehe auch

• Physikalische Beschreibung
  • Reflexion (Physik)
  • Brechung (Physik)
  • Diffuses Licht
  • Natürliches Licht
  • Polarisiertes Licht
  • Lichtsignal

• Objekte
  • Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
  • Tscherenkow-Licht
  • Erstes Licht, Astronomie
  • Glanzlicht

• Andere Bedeutungen
  • Licht am Tag
  • Mehr Licht

Literatur

• Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik 1905, S. 132-148 (Mit diesem Beitrag begründete Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts).
• Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 58.2005, 6, S. 311-319, ISSN 0028-1050
• Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zu Quantenoptik. C.H.Beck, München 1999, ISBN 3-406-44722-8
• Sidney Perkowitz: Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 1998, ISBN 3-423-33020-1 (amerik. Originalausgabe New York 1996, ISBN 0-8050-3211-8)
• Lew D. Landau, Juri B. Rumer: Was ist die Relativitätstheorie?. Moskau 1963
  Lew D. Landau, Juri B. Rumer: Was ist die Relativitätstheorie?. 13. Auflage, Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig 1989, ISBN 3-322-00445-7
• George H. Rieke: Detection of Light - From the Ultraviolet to the Submillimeter. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81636-X

Einzelnachweise

1. ↑ The 8-minute travel time to Earth by sunlight hides a thousand-year journey that actually began in the core.. NASA. Abgerufen am 30. Mai 2008. (englisch)

Weblinks

• Umfangreiche Informationen zur Physik des Lichts auf Welt der Physik
• Lexiklische Nachweise zum Thema Licht
• Infoline-Lichtplanung (Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc.)
• Lichtimmissionen - Umweltbehörde (LANUV NRW)
• Modellvorstellungen von Licht (Universität Ulm)
• Experimente mit einzelnen Photonen

Videos

• Was war der Äther?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Was ist Licht?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Wird Licht müde?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)

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