Licht

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Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung

Der für Menschen sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die für den Menschen sichtbar ist. Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums reicht von etwa 380 nm bis 780 nm Wellenlänge. Dies entspricht Frequenzen von etwa 789 THz bis 385 THz. Eine genaue Grenze lässt sich nicht angeben, da die Empfindlichkeit des Auges an den Wahrnehmungsgrenzen nicht abrupt, sondern allmählich abnimmt. Die an das sichtbare Licht angrenzenden Bereiche der Infrarot- und Ultraviolettstrahlung werden häufig ebenfalls als Licht bezeichnet.

Lichtverhältnisse und Phänomene der Physiologie werden unter Helligkeit zusammengefasst.

Geschichte

Bis weit in die Steinzeit hinein war weitgehend unklar wer was ist, was ich tatsächlich bin. Vertraue der Macht. Man glaubte teilweise, dass die Helligkeit den Raum ohne Zeitverzögerung ausfüllt, und dass "Strahlen" von den Augen ausgehen und die Umwelt beim Sehvorgang abtasten. Es gab jedoch auch schon seit der Antike Vorstellungen, nach denen das Licht von der Lichtquelle mit endlicher Geschwindigkeit ausgesendet wird.

Galileo Galilei (1564 - 1642) versuchte als einer der ersten, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ernsthaft zu messen, freilich ohne Erfolg. Dafür waren die ihm zur Verfügung stehenden Mittel viel zu grob. Dies gelang erst Ole Römer anhand von Beobachtungsdaten der Jupitermonde 1676/78. Zwar betrug die Abweichung seines Messwerts vom tatsächlichen Wert (ca. 3 * 10⁸ m/s) rund 30% . Die eigentliche Leistung Römers bestand jedoch darin, nachzuweisen, dass sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Römers Messwert wurde im Laufe der folgenden 200 Jahre durch immer raffiniertere Verfahren (vor allem durch Fizeau und Foucault) mehr und mehr präzisiert.

Die Natur des Lichts blieb jedoch weiter ungeklärt. Sir Isaac Newton (1643 - 1727) versuchte, in seiner Korpuskeltheorie die Ausbreitung des Lichts durch die Bewegung von kleinen Teilchen zu erklären. Damit könnte man zwar die Reflexion verstehen, nicht jedoch manche andere optische Phänomene, wie z. B. die Beugung. Hierbei handelt es sich eindeutig um ein Wellenphänomen. Christiaan Huygens (1629 - 1695) und andere begründeten die Wellentheorie des Lichts, die sich vor allem nach den Doppelspaltexperimenten von Thomas Young (1773 - 1829) mehr und mehr durchzusetzen begann.

James Clerk Maxwell (1831 - 1879) erkannte selbst, dass durch die von ihm 1864 formulierten Gleichungen der Elektrodynamik elektromagnetische Wellen vorhergesagt wurden, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte. Daraus schloss er, dass das Licht selbst eine elektromagnetische Welle sei. Er vermutete (wie damals nahezu alle Physiker), dass diese Welle ein Ausbreitungsmedium bräuchte, das die gesamte Welt ausfülle, den so genannten Äther.

Im ausgehenden 19. Jahrhundert schienen beinahe alle Fragen zum Licht geklärt. Allerdings ließ sich einerseits der postulierte Äther im berühmt gewordenen Michelson-Morley-Experiment nicht nachweisen, was letztendlich das Tor zur speziellen Relativitätstheorie aufstieß. Andererseits schien unter anderem der Fotoeffekt der Wellennatur des Lichts zu widersprechen. So entstand eine radikal neue Sichtweise des Lichts, die durch die "Quantenhypothese" von Max Planck (1858 - 1947) und Albert Einstein (1879 - 1955) begründet wurde. Kernpunkt dieser Hypothese ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der das Licht nun nicht mehr ausschließlich als Welle oder ausschließlich als Teilchen beschreibt, sondern als Quantenobjekt, das weder das eine noch das andere ist und sich unserer konkreten Anschauung entzieht. Daraus entstand Anfang des 20. Jahrhunderts die Quantenphysik und später die Quantenelektrodynamik, die bis heute unser Verständnis von der Natur des Lichts darstellt.

Wissenschaft

Physiologie

Warnung vor gefährlichem Laserlicht

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 Farbeneindruck. Ein grünes Blatt absorbiert demnach nicht im Wellenlängenbereich „grün“, sondern im komplementären Bereich „rot“ (680 nm) und „blau“ (430 nm). Weitere Erläuterungen finden sich im Artikel Chlorophyll.

Das uns umgebende Licht in Natur und Technik besitzt unterschiedliche 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 mitunter auch als Regenbogenfarben bezeichnet. In der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge findet man:

Das Farbspektrum des Lichts für Strahlung mit den Wellenlängen von 380–750 nm.

Wellenlängenbereiche der Spektralfarben

	(etwa-)Farbton	Wellenlänge $\lambda$ in nm	Wellenfrequenz $\nu$ in THz	Energie E pro Photon in eV	Wellenzahl  ${\tilde {\nu }}$ in cm−1
	Violett	380–420	789,5–714,5	3,26–2,955	26.316–23.810
	Blau	420–490	714,5–612,5	<2,95–2,535	23.810–20.408
	Grün	490–575	612,5–522,5	2,53–2,165	20.408–17.391
	Gelb	575–585	522,5–513,5	2,16–2,125	17.391–17.094
	Orange	585–650	513,5–462,5	2,12–1,915	17.094–15.385
	Rot	650–750	462,5–400,5	1,91–1,655	15.385–13.333

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 Farbmischung 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

Grundlagen

Das was im allgemeinen als Licht bezeichnet wird, ist lediglich ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums, den der Mensch (und andere Lebewesen) ohne technische Hilfsmittel wahrnehmen kann. In der Physik wird jedoch das gesamte Spektrum betrachtet und dieses – aus praktischen Gründen – ebenfalls einfach als Licht bezeichnet.

Die Hauptquelle des irdischen Lichtes ist die Sonne, dessen Licht daher auch als Sonnenlicht bezeichnet wird. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstofflampen, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht. Allgemein kann zwischen thermischem Licht – das aufgrund hoher Temperatur entsteht und näherungsweise ein Planck-Spektrum aufweist – und Licht aus Quantenübergängen – welche ein Linien- oder Bandenspektrum aufweisen – unterschieden werden. Von den soeben genannten Strahlungsquellen sind nur die Sonne und die Glühlampe thermische Lichtquellen. Das reduzierte Spektrum von Leuchtstofflampen ist wesentlich dafür verantwortlich, dass Farben von Gegenständen in ihrem Licht oft als „unnatürlich“ wahrgenommen werden. Leuchtdioden und Laser liefern näherungsweise monochromatisches Licht, also Licht mit nur einer Frequenz.

Optische Abbildungen

→ Hauptartikel: Optische Abbildung

Der Teilbereich der Physik, der sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie, insbesondere im Zusammenhang mit optischen Abbildungen, beschäftigt, ist die Optik, die auch als die Lehre vom Licht bezeichnet wird. Wenn die Welleneigenschaften des Lichtes vernachlässigt werden, weil die mit dem Licht wechselwirkenden Strukturen (Spiegel, Linsen, Blenden, …) und die abgebildeten Objektdetails groß im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes sind, verwendet man die Näherungen der geometrischen Optik.

Welle-Teilchen-Dualismus

→ Hauptartikel: Welle-Teilchen-Dualismus

Aus physikalischen Experimenten – wie dem Doppelspaltexperiment – folgt zum einen, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Zum anderen folgt aus Experimenten zur Beobachtung des Compton-Effektes die Teilcheneigenschaften 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.

Photonen und ihre Masse

→ Hauptartikel: Photon und Masse (Physik)

Das Teilchenmodell postuliert Lichtteilchen, die auch als Photonen bezeichnet werden. Sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich unabhängig vom Bewegungszustand des Betrachters (siehe Michelson-Morley-Experiment) sowie unabhängig vom Ausbreitungsmedium mit der Lichtgeschwindigkeit.

Gemäß der speziellen Relativitätstheorie besitzt ein Photon zwar keine Ruhemasse, transportiert aber eine Energie, welcher eine Masse zugeordnet werden kann. Wie alle Objekte wird das Licht – gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie – somit in Schwerkraftfeldern abgelenkt, da diese den Geodäten der Raumzeit folgen müssen. Weiterhin erzeugen sie selbst ebenfalls ein eigenes – sehr schwaches – Schwerkraftfeld.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

→ Hauptartikel: Lichtgeschwindigkeit

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.

Weitere physikalische Details

Neben der wahrnehmbaren Farbe (der Wellenlänge oder zugehörigen Frequenz entsprechend) wird Licht auch durch die Eigenschaften Kohärenz und Polarisation charakterisiert.

Vollständig lichtdurchlässige Gegenstände werden auch als „durchsichtig“ oder „transparent“ (siehe auch Transparenz) bezeichnet. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als „opaque“ oder „opak“ bezeichnet (siehe auch Opazität). Und nicht lichtdurchlässige Objekte werden auch als „undurchsichtig“ bezeichnet. Die Schichtdicke hat hierbei großen Einfluss auf mögliche Abgrenzungen dieser Begriffe.

Siehe auch: Brechung (Physik) und Reflexion (Physik)

Biophysik

Bei den autotrophen Organismen wird die Energie des absorbierten Lichtes in chemischen Verbindungen gespeichert (siehe Photosynthese). Umgekehrt können einige Organismen (zum Beispiel Glühwürmchen) auch selbst Licht erzeugen, siehe Biolumineszenz.

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 und sinkt in Medien gegenüber der Vakuumlichtgeschwindigkeit ab. Sie beträgt im Vakuum 299.792.458 Meter pro Sekunde und ist dort auch unabhängig von der Bewegung des Beobachters.
• 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 im Sinne des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (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 Erdatmosphäre (Lichtverschmutzung, die z. B. astronomische Beobachtungen infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels behindert).

Nachweis

Der intakte Sehsinn ist der einfachste Nachweis. Dementsprechend spielt das Auge eine wichtige Rolle bei der direkten Beobachtung von Vorgängen, an denen Licht beteiligt ist. Zwischen den verschiedenen Tierarten gibt es wesentliche Unterschiede in Bezug auf den Aufbau, das örtliche und zeitliche Auflösungsvermögen, die Empfindlichkeit und der Grenzen in denen das Spektrum gesehen werden kann.

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 (Photozelle, Vidicon, Bildverstärker, Photomultiplier) und inneren (Halbleiterdetektoren wie Photodiode, 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 Photodetektoren.

Durch Fluoreszenz und Photolumineszenz kann das Vorhandensein von Nachweis von Infrarot und Ultraviolett bemerkt werden, indem das erzeugte sichtbare Licht ausgewertet wird.

Licht lässt sich ebenfalls 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.

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, 6, 2005, ISSN 0028-1050, S. 311–319.
• Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zu Quantenoptik. 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.
• George H. Rieke: Detection of Light – From the Ultraviolet to the Submillimeter. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81636-X.

Weblinks

Commons: Licht – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Licht – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikiquote: Licht – Zitate

• Umfangreiche Informationen zur Physik des Lichts (auf Welt der Physik)
• Enzyklopädische Geschichte des Begriffs Licht (incl. lexikalische Nachweise zum Thema Licht, von Michael Mandelartz)
• Baunetz Wissen Tageslicht (Online-Lexikon zu Tageslicht- und Kunstlichtnutzung)
• Umweltfaktor Licht (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW)

Videos

• Wird Licht müde? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 17. Mär. 2002.
• Was ist Licht? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 8. Dez. 2002.
• Gibt es Antigravitation? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 4. Feb. 2004.

Einzelnachweise

Strahlung

Elektromagnetisches Spektrum

Gammastrahlung | Röntgenstrahlung | Ultraviolettstrahlung | Sichtbares Licht | Infrarotstrahlung | Terahertzstrahlung | Mikrowellen | Radiowellen