Licht - Absorption, Reflexion, Brechung, Totalreflexion, Interferenz

Licht ist ein Phänomen, das 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 wie eine materielle Substanz fassbar ist. 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. Die Symbolik der Farbe Gelb hat mit dem Licht zu tun. Oft wird Licht als Symbol für Nicht-Materielles wie dem Geist oder dem Lebensglück verwendet. Die Darstellung vom Licht als physikalisches Phänomen zeigt auf, wie schwierig es ist, Licht naturwissenschaftlich und begrifflich zu erfassen.

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. Bei 700 °C glüht es dunkelrot, bei 1200 °C leuchtet es hellorange und über 1300 °C beginnt die Weißglut. Führt man Metall-Atomen Wärmeenergie zu, werden die Atome in einen angeregten Zustand versetzt, wobei sie Licht aussenden. Licht entsteht durch Verbrennungen aus chemischer Energie (Flamme), durch Umwandlung aus elektrischer Energie (Glühlampe) oder durch Umwandlungen von Atomkernen (Sterne). In der Sonne verschmelzen die Kerne von Wasserstoff-Atomen zu Helium-Kernen. 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.

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 (1 nm = 1 Milliardstel Meter) besitzt. Die Wellenlänge des für uns sichtbaren Lichts liegt etwa zwischen 765 nm und 385 nm und wird als optisches Spektrum bezeichnet. Das optische Spektrum selbst wiederum ist aus verschiedenen elektromagnetischen Wellen zusammengesetzt, die in unseren Augen unterschiedliche Farbwahrnehmungen erzeugen.

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.

Das Auge besitzt auf der Netzhaut Farbsinneszellen, die Zapfen, die jeweils für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts empfindlich sind. Werden sie gleichzeitig angeregt, erhält man den Farbeindruck Weiß. Sonnenlicht kann als Mischung von mehreren elektromagnetischen Wellen aus dem optischen Spektrum bezeichnet werden. Die additive Farbmischung erbringt einen experimentellen Beweis: Weiß 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 Stromerzeugung 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 belegt 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.

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 299792458 Metern zurück (etwa 300000 Kilometer). Diese Geschwindigkeit wird als Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Sie ist die größte bisher gemessene 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. 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.

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 Mond-Tag betragen sie bis zu +120 °C, während sie in der Mond-Nacht 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, so auch im Sonnenkollektor. Dieser besitzt als Absorptionsfläche eine dunkle Fläche, die einen Wasserkreislauf heizt.

Trifft Licht auf einen Spiegel, wird sämtliches Licht reflektiert, dieses Phänomen nennt man Reflexion. Der Einfallswinkel entspricht immer dem Ausfallswinkel. Trifft Licht auf Gegenstände, die für unsere Augen farbig erscheinen, tritt ein spezielles Phänomen auf. Die Oberfläche eines blauen Pigments absorbiert bestimmte Anteile des Lichts. Ein Teil des Lichts wird remittiert und in unserem System Auge-Gehirn entsteht der Farbeindruck Blau. Hier haben wir es mit dem Phänomen der Remission zu tun.

Die Sonnenstrahlen, die auf die Erdoberfläche treffen, werden manchmal an der spiegelnden Wasseroberfläche teilweise reflektiert, an vielen Materialien aber auch absorbiert und remittiert. 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.

Das Phänomen einer Streuung des Lichts in alle möglichen Richtungen kann in der Erdatmosphäre beobachtet werden: Der Tageshimmel erscheint nicht schwarz (sondern hell oder 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 ist er dagegen schwarz. Ein Raumfahrer auf der Mondoberfläche sieht einen schwarzen Himmel.

Das Phänomen der Streuung kann auch durch ein eigenes Experiment beobachtet werden: Durch einen Glasbehälter mit Wasser wird mit Hilfe eines Laserpointers ein fein gebündelter Lichtstrahl geschickt. Dann tropft man einige Tropfen Milch in das Wasser: Die mikroskopisch kleinen Fett-Tröpfchen streuen den Lichtstrahl und der Tyndall-Effekt tritt auf.

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Kolloide Lösungen streuen das 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, die 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.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. Der Brechungswinkel β kann berechnet werden, wenn die Brechzahlen n der beiden Medien bekannt sind.

Berechnung des Brechungswinkels β

Die Berechnung ist möglich, wenn die Brechzahlen der beiden Medien bekannt sind.

Ein natürliches Phänomen stellt der Regenbogen dar. Beim Eintritt eines Sonnenstrahls in ein Wassertröpfchen ändert sich der Ausbreitungswinkel des Strahls, er wird gebrochen. Dies gilt auch für jede Berührung des Tropfenrandes. Der blaue Anteil des weißen Lichts wird stärker gebrochen als der gelbe oder der rote. Weißes Licht wird in seine Farbanteile zerlegt. Dem Farbenfeuer eines geschliffenen Diamanten oder dem farbigen Glitzern eines Tautropfens liegt das gleiche Phänomen zugrunde.

Regenbogen bei einem Wasserfall

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Das Phänomen lässt sich am Wasserfall Gulfoss in Island gut beobachten.

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.

Dispersion von weißem Licht am Prisma

Kurzwelliges Licht bricht sich am Prisma stärker als langwelliges.

Trifft ein Lichtstrahl ganz flach auf eine Grenzschicht und beträgt der Einfallswinkel 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, die einen großen Einfallswinkel ermöglichen. Durch vielfache Totalreflexion (bis zu 20000mal 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 über große Strecken ohne Stromverlust übertragen werden. Die Technik ist die wichtigste Grundlage für das Funktionieren des Internets. Germanium als Schlüsselelement spielt dabei die entscheidende Rolle.

Totalreflexion im Glasfaserkabel

Vereinfachtes Prinzip eines Lichtwellenleiters

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 Opals oder 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.

Das Phänomen 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 des mikroskopisch dünnen Aufbaus variieren die Schichten in der Dicke. Das Licht, das an den oberen und unteren Schichten reflektiert wird, interferiert, wobei bestimmte Wellenlängen ausgelöscht werden. Dabei entsteht der schillernde Effekt.

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.