Licht
Image by Guillaume Bolduc, shared on Unsplash

Licht gehört wohl zu einem der faszinierendsten Phänomene der Physik. Es wurde auch zum Schlüssel, der die grosse Tür der Physik als Wissenschaft geöffnet hat, denn alles begann mit Beobachtungen des Sternenhimmels und das ist “nur” Licht. Auch heute noch stützt sich die Astrophysik mit ihren Erkenntnissen über die Sterne, Sonnensysteme, Galaxien etc. auf das beobachtbare Licht, das zu unserer Erde gelangt.

Licht, das wir sehen

Pythagoras
Pythagoras (ca. 570 – ca. 495 vor Chr.), antiker griechischer Philosoph und Mathematiker, from Wikipedia (public domain)

Im antiken Griechenland wurde schon früh darüber gerätselt, was Licht überhaupt ist. Pythagoras, (ca. 570-480 v. Chr.) nahm an, dass das Auge heisse Sehstrahlen aussenden würde, die von den kalten Körpern dann „zurückgedrängt“ werden.

Ptolemaeus
Ptolemaeus (ca. 100 – nach 160), griechischer Mathematiker, Geograph, Astronom, Astrologe, Musiktheoretiker und Philosoph, from Wikipedia (public domain)

Ein paar Jahrhunderte später erkannte Ptolemäus (ca. 100-160 n. Chr.), dass das mit den Sehstrahlen nicht ganz stimmen kann, denn wenn das Auge Sehstrahlen ausschickte, müsste man ja auch im Dunkeln sehen können. Er nahm an, dass Sehstrahlen gibt, die vom Auge ausgehen, und Lichtstrahlen, die von Lichtquellen ausgehen.

Die Vorstellung, dass etwas von unseren Augen ausgeht ist weit verbreitet. Hinzu kommen viele Redewendungen, die suggerieren, dass unsere Augen Strahlen absenden:

  • «Einen Blick werfen»
  • «Durch das Fenster gucken»
  • «In einen Kasten schauen»
  • «Genau hinsehen»
  • «Ein stechender Blick»

Es ist aber definitiv nicht so! Augen senden keine Sehstrahlen aus. Alles, was wir sehen sind Lichtstrahlen, die in unser Auge eintreffen. Lichtstrahlen, die etwa an unserem Auge vorbeigehen, sind für uns komplett unsichtbar. Wir nehmen sie nicht war, egal wie stark sie sind.

Sichtbare und unsichtbare Lichtstrahlen
Augen senden keine Lichtstrahlen aus. Wir sehen die Lichtstrahlen, die in unser Auge eintreten. Lichtstrahlen, die am Auge vorbeiführen, sind für uns unsichtbar.

Sehen entsteht durch die Anregung der lichtempfindlichen Sinneszellen in der Netzhaut unserer Augen. Diese werden durch einfallendes Licht angeregt. Alle anderen Lichtstrahlen sind für uns nicht sichtbar.

Augen senden keine Sehstrahlen aus.

Was ist Licht?

Photon (Lichtteilchen)
Das Photon (Lichtteilchen) ist ein kleines Energiepaket, das zu einer elektromagnetischen Welle gehört

Licht ist viel verrückter, als wir uns das vorstellen können. Besteht Licht aus Teilchen oder aus Wellen? Beides ist richtig! Licht besteht aus den sog. Lichtteilchen, die wir Photonen nennen. Es sind kleine masselose Teilchen, die Energie und Impuls beinhalten, d.h. sie erzeugen einen kleinen Stoss, wenn sie auftreffen. Wie kann etwas einen Stoss bewirken, wenn es keine Masse hat? Wie gesagt: Licht ist verrückt. Die Photonen fliegen mit Lichtgeschwindigkeit, der grösstmöglichen Geschwindigkeit überhaupt.

Photonen erscheinen uns vor allem auch deshalb verrückt, weil sie quantenmechanische Teilchen sind. Für sie gelten die Gesetze der Quantenmechanik, die wir kennen, aber nur schwer uns vorstellen können. Quantenmechanische Teilchen haben eine Wellennatur, weshalb wir bei Licht oft von Wellen sprechen. Ein Photon kann als Welle gleichzeitig durch zwei Spalten gehen und dann wieder zu einem Photon “verschmelzen”. Ein klassisches Teilchen müsste sich entscheiden und könnte nur durch eine der beiden Spalten durchgehen, aber sicher nicht durch beide gleichzeitig!

Wenn das nicht schon genug verrückt ist: Licht ist ein elektromagnetisches Phänomen, d.h. es hat mit elektrischen Ladungen und Magnetismus zu tun. Es ist eine Störung im elektrischen und magnetischen Feld, die sich als Welle fortpflanzt. Deshalb gehört Licht zu den elektromagnetischen Wellen.

Das Licht zeigt in verschiedenen Experimenten, dass es sich wie eine Welle verhält. Typisch für Wellen ist zum Beispiel die Reflexion an Oberflächen, die beim Licht sehr oft beobachtet werden kann. Die Brechung ist ein weiteres Merkmal, das zu den Wellen gehört. Schliesslich kennen wir von den Wasserwellen, dass sie sich kreuzen können, ohne sich gegenseitig zu verändern. Das ist bei Licht ebenfalls zu beobachten. Zwei Lichtstrahlen können sich kreuzen, ohne dass sie sich in irgendeiner Weise stören würden.

Lichtquellen

Licht wird durch sog. Lichtquellen erzeugt. Wir werden an dieser Stelle nicht die Frage beantworten können, wie Lichtquellen es schaffen, Licht auszusenden, d.h. Photonen zu emittieren. Wir stellen einfach fest, dass es Lichtquellen gibt, die es schaffen, mit Hilfe von Elektronen, Lichtstrahlen auszusenden.

Lichtquellen sind:

  • Elektrische Leuchtkörper
  • Heisse Materialien (sichtbar ab >525 °C)
  • Sterne

Alles andere ist nur sichtbar, weil es Licht reflektiert bzw. streut. Wird die Lichtquelle entfernt, ist es nicht mehr sichtbar.

Beachte, dass die Sterne eigentlich zu den “heissen Materialien” gehören. Sie leuchten, weil sie eine sehr hohe Temperatur haben. Die Sonne hat an der Oberfläche eine Temperatur von 5’800 K. Die Wärmestrahlung, die dadurch erzeugt wird, erscheint uns als weisses Licht. Es ist die umgangssprachliche “Weissglut”. Andere Sterne erscheinen blau, weil sie heisser als unsere Sonne sind und wiederum andere rot, z.B. die roten Riesen, weil sie deutlich kühler sind als unsere Sonne.

Reaktionen von Licht und Materie

Je nach Material können wir verschiedene Reaktionen von Licht und Materie beobachten. Oft kommen verschiedene Reaktionen gleichzeitig vor. Die Art, wie Materie mit Licht reagieren, bestimmt im Wesentlichen das Aussehen der Materie: Erscheint sie hell, dunkel, glänzend oder matt oder ist sie gar transparent?

Absorption

Absorption von Licht durch ein Material
Absorption von Licht durch ein Material

Durch die Absorption werden Lichtstrahlen regelrecht “verschluckt” und deren Energie in eine andere Form umgewandelt, meistens in Wärme. Von solchen Materialien gehen keine Lichtstrahlen aus, d.h. wir können sie eigentlich gar nicht sehen. Ideal absorbierende Materialien werden als ideale schwarze Körper bezeichnet. Sie absorbieren 100% vom Licht, das auf sie auftrifft. Gut absorbierende Materialien erscheinen wie schwarze Löcher in einer Umgebung von nicht-absorbierenden anderen Materialien. Absorbierende Körper hinterlassen einen Schatten.

Streuung

Streuung von Licht am Material
Streuung von Licht am Material

Streuung ist wohl die häufigste beobachtbare Eigenschaft von Materialien. Auf das Material auftreffende Licht wird in alle Richtungen zufällig gestreut. Hinter das Material gelangen keine Lichtstrahlen, so dass dort ein dunkler Schatten entsteht. Die Streuung ist dafür verantwortlich, dass wir dieses Material aus allen Winkeln sehen können, denn nur wenn wir einen Lichtstrahl in unser Auge bekommen, können wir etwas sehen!

Reflexion

Reflexion von Licht am Material
Reflexion von Licht am Material

Es gibt Materialien, die Licht sehr gut reflektieren. Der Unterschied zur Streuung ist die Richtung des reflektierenden Lichtstrahls, die nicht mehr zufällig ist, sondern dem Reflexionsgesetz folgt. Eigentlich sehen wir den Körper, wenn wir reflektierte Lichtstrahlen in unser Auge bekommen. Das Spezielle an der Reflexion ist aber, dass wir ein reflektiertes Bild sehen und somit das eigentliche Material nicht mehr wahrnehmen. Solche Materialien sind aber effektiv da und hinterlassen auch einen Schatten hinter sich. Die Weltmeister der Reflexion sind die Metalle. Spiegel sind zwar aus Glas, haben aber eine dünne Metallschicht, die das Licht reflektiert.

Transparenz

Transmission von Licht durch ein Material (Transparenz)
Transmission von Licht durch ein Material (Transparenz)

Spezielle Materialien können das Licht praktisch ungehindert durchlassen und erscheinen für uns deshalb transparent. Eigentlich können wir solche Materialien gar nicht sehen. Sie sind durchsichtig! Optische Effekte (Brechung) verraten uns aber die Präsenz des Materials. So können wir ein Wasserglas überhaupt erst sehen und auch erkennen, ob es leer oder mit Wasser gefüllt ist. Ohne diese Effekte wären aber Glas und Wasser nicht wahrnehmbar. Transparente Materialien hinterlassen keinen Schatten. Wenn, dann nur weil sie einen Teil des Lichts absorbieren.

Lichtintensität der Punktquelle

Eine Punktquelle ist ein Punkt, der in alle Richtungen Licht aussendet. Von weitem ist ein Stern nur ein Punkt. Wir müssen davon ausgehen, dass er nicht nur Licht zu uns sendet, sondern in alle Richtungen, genau wie unsere Sonne. Punktquellen können aber auch einzelne Glühbirnen in einem dunklen Raum oder eine kleine Leuchtdiode sein.

Wenn wir um die Punktquelle herum eine gedachte, transparente Kugel mit Radius $r_1=1$ legen, dann wird das ganze Licht der Punktquelle durch diese Kugeloberfläche “fliessen”. Legen wir nun aber eine Kugel mit doppeltem Radius $r_2=2$ um die gleiche Punktquelle herum, dann fliesst auch hier das ganze Licht durch die Kugeloberfläche der doppelt so grossen Kugel.

Die Oberfläche der kleinen Kugel ist:

\[ O_1 = 4 \pi r_1^2 = 4 \cdot \pi \cdot 1^2 = 4\pi \]

Für die grosse Kugel erhalten wir die Oberfläche:

\[ O_2 = 4 \pi r_2^2 = 4 \cdot \pi \cdot 2^2 = 16\pi \]

Die grosse Kugel hat zwar den doppelten Radius der kleinen Kugel, deren Oberfläche ist aber vier mal so gross. Der Grund liegt im Quadrat des Radius in der Formel für die Berechnung der Kugeloberfläche. Eine Kugel mit dreifachem Radius hat deshalb eine 9-fach grössere Oberfläche und eine Kugel mit 10-fachem Radius eine 100-fach grösser Oberfläche etc.

Abnehmende Intensität des Lichts mit dem Quadrat des Abstands
Abnehmende Intensität des Lichts mit dem Quadrat des Abstands: Die Energie des Lichts wird auf eine Fläche verteilt, die mit dem Abstand im Quadrat anwächst. Damit wird die Intensität immer kleiner.

Die Lichtmenge, die durch die Kugeloberfläche fliesst, ist aber in jedem Fall die Gleiche, d.h. die gleiche Menge an Licht wird mit zunehmendem Abstand auf eine immer grössere Fläche “verdünnt”. Ein Beobachter wird demnach verschied starkes Licht wahrnehmen. Ist der Beobachter nahe zur Punktquelle, werden mehr Lichtstrahlen in sein Auge eintreten und die Lichtquelle wird heller erscheinen.

Die Menge an Licht bestimmt auch die Menge an Energie, die das Licht mit sich bringt. Unter Intensität verstehen wir die Dichte an Energie, d.h. stark konzentriert kommt die Energie daher oder wie stark verdünnt ist sie schon? Sterne sind so weit weg, dass wir sie als Punkte betrachten können. Sie leuchten unterschiedlich stark, so dass wir nicht unbedingt wissen können, ob das ihre Leuchtkraft ist oder ihr Abstand zu uns.

Wenn ein grosser Stern stirbt, entsteht eine Supernova, eine unglaublich starke Explosion, bei welcher ein sehr starkes Licht emittiert wird. Aus anderen Überlegungen wissen wir, dass alle Supernovae der gleichen Art immer gleich viel Licht abgeben. Die Intensität des Lichts verrät uns in diesem Fall sehr genau, wie gross der Abstand zwischen der Supernova und der Erde betrug.

Die Intensität von Licht einer Punktquelle nimmt mit dem Quadrat des Abstands von der Lichtquelle ab bzw. ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands.