Was ist Licht?

Kleine Teilchen, große Wirkung: Licht ist eines der großen Wunder des Universums. Es beschäftigte schon die alten Griechen und seither viele berühmte Wissenschaftler – von Isaac Newton bis Albert Einstein.

Schon immer waren die Menschen von Licht fasziniert und bestrebt, hinter sein Geheimnis zu kommen. Im alten Griechenland glaubte Aristoteles, dass sich Licht ähnlich bewege wie Wasserwellen, Pythagoras (ca. 570-480 v. Chr.) dagegen war überzeugt, dass das menschliche Auge „heiße Sehstrahlen“ aussende, die von anderen Objekten wieder „zurückgedrängt“ werden. Allerdings: Wäre diese Theorie richtig, müsste der Mensch auch im Dunkeln sehen können ...

Lichtgeschwindigkeit: 300.000 km/s

Heute lernen Physikschüler, dass Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen zu verstehen ist – und dass es enorm schnell unterwegs ist. Lichtschalter an, schon wird es hell. Mit erstaunlicher Genauigkeit traf schon 1675 der Däne Ole Christensen Rømer nach Beobachtung der von Galileo Galilei entdeckten Jupitermonde eine Aussage zur Lichtgeschwindigkeit: 2,3 x 108 m/s.

Genauer sind die Messungen der Lichtgeschwindigkeit von Leon Foucault 1850 mit 2,98 x 108 m/s. Anders formuliert: Heute wissen wir, dass sich Licht in Luft und Vakuum mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Die Lichtgeschwindigkeit ist damit die höchste bekannte Geschwindigkeit. Licht benötigt vom Mond zur Erde etwa 1,3 Sekunden. Das Licht der Sonne, die 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, erreicht uns nach 81/3 Minuten.

Von Wellen und Teilchen

Die Ausbreitung von Licht lässt sich gut mit Lichtstrahlen beschreiben: Licht aus einer punktförmigen Lichtquelle, das durch einen engen Spalt fällt, wird gebeugt. Hinter dem Spalt entsteht ein linienförmiges Muster.

Das Wellenmodell des Lichts, nach dem sich Licht ähnlich einer Wasserwelle bewegt, entwickelte Christiaan Huygens bereits im 17. Jahrhundert. Fast zeitgleich vertrat Isaac Newton die Theorie, dass Licht aus kleinsten Teilchen oder Korpuskeln (= Körperchen) besteht und sich geradlinig ausbreitet. Lange Zeit war unter den Wissenschaftlern keine Einigkeit darüber zu erzielen, welches Modell nun das Richtige sei.

Zur Erklärung der physikalischen Eigenschaften von Licht werden heute sowohl das Korpuskular- (= Teilchen) als auch das Wellenmodell genutzt.

Im 19. Jahrhundert erklärte dann James Clerk Maxwell Licht als elektromagnetische Welle, bestehend aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich zeitlich und räumlich ändern können. Die Maxwell’sche Theorie bahnte den Weg für die Elektrifizierung der Welt. Und Albert Einsteins Relativitätstheorie führte schließlich die beiden konkurrierenden Ansätze – Wellen- und Korpuskelmodell – wieder zusammen: Danach ist Licht eine Welle, die in kleinen Stößen (= Quanten) ausgesandt wird. Anders ausgedrückt: Licht ist der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung, die aus schwingenden Energiequanten besteht. Es braucht eine bestimmte Zeit vom Ort der Entstehung bis zum Auge des Betrachters.

Max Planck beschreibt die Quantentheorie mit der Formel:

E = h x v

Dabei ist die Energie E eines Energiequants (einer Strahlung) proportional abhängig von deren Frequenz f, multipliziert mit einer Konstanten h (Planck’sches Wirkungsquantum).

Sichtbare Strahlung heißt Licht

Das menschliche Auge ist nur für einen relativ kleinen Bereich innerhalb des elektromagnetischen Spektrums empfänglich. Die sichtbare Strahlung unterscheidet sich von anderen elektromagnetischen Strahlungen nur durch die Wellenlänge. So sind Lichtwellen wesentlich kürzer als z. B. langwellige Rundfunk- und Radarwellen.

Die Wellenlänge wird in Nanometer (nm) gemessen. Die Wellenlänge der sichtbaren Strahlung liegt zwischen 380 nm und 780 nm (1 Nanometer = 10-9 m, also der milliardste Teil eines Meters).

Jede Spektralfarbe entspricht einer bestimmten Wellenlänge

Licht ist der für das Auge sichtbare Teil der kosmischen Strahlung. Im elektromagnetischen Spektrum umfasst der Bereich des Lichts Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm. An das sichtbare Licht grenzen die Bereiche der Infrarot- (Wellenlängen zwischen 780 nm uns 1 nm) und Ultraviolettstrahlung (Wellenlängen zwischen 10 nm und 380 nm).

Schon Newton entdeckte, dass weißes Sonnenlicht fünf Farben enthält: Violett, Blau, Grün, Gelb und Rot. Richtet man ein enges Lichtbündel auf ein Glasprisma und projiziert die austretenden Strahlen auf eine weiße Fläche, erscheint ein farbiges Spektrum – gut sichtbar auch in der Natur, wenn sich ein Regenbogen über die Landschaft spannt.

Jede Farbe entspricht einer bestimmten Wellenlänge. Vom kurzwelligen Blau (< 450 nm) über Grün und Gelb bis zum langwelligen Rot (> 600 nm) weist das Spektrum des Sonnenlichts einen fließenden Übergang auf. Die Mischung aller Farben ergibt weißes Licht.

Natürliche Farben sind relativ, denn wir sehen nur die Farben, die unter einer bestimmten Beleuchtungssituation reflektiert werden. So werden farbige Gegenstände auch nur dann richtig erkannt, wenn im Spektrum einer Lichtquelle alle Farben vorhanden sind. Dies ist etwa beim Sonnenlicht, bei Halogenlampen oder LED mit sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften (Ra ≥ 90) der Fall.

Infrarote (IR) und ultraviolette (UV) Strahlung

Oberhalb und unterhalb der sichtbaren Strahlung werden im Strahlungsspektrum der Infrarot-Bereich (IR) und der Ultraviolett-Bereich (UV) definiert.

Der IR-Bereich umfasst die Wellenlängen zwischen 780 nm und 1 mm. Erst wenn IR-Strahlung auf einen Gegenstand trifft, wird sie absorbiert und in Wärme umgewandelt. Ohne die Wärmestrahlung der Sonne würde die Erde in ewigem Eis erstarren. Sonnenlicht spielt auch bei der alternativen Energiegewinnung eine wichtige Rolle, z. B. im Bereich der Photovoltaik und der Solarthermie.

Für das Leben auf der Erde ist die richtige Dosierung der Strahlung im UV-Bereich wichtig. Entsprechend der biologischen Wirkung unterscheidet man die Bereiche

  • UV-A-Strahlung (315 bis 380 nm) bräunt die Haut.
  • UV-B-Strahlung (280 bis 315 nm) regt den Aufbau von Vitamin D an. Bei übermäßiger Exposition rötet sich die Haut (Erythemwirkung) bis hin zum Sonnenbrand.
  • UV-C-Strahlung (100 bis 280 nm) zerstört Zellen. Sie wird deshalb in Entkeimungslampen gezielt zur Desinfektion eingesetzt.

Neben der positiven Wirkung der ultravioletten Strahlung kann ein Zuviel davon auch zu Schädigungen führen. Die Ozonschicht der Erdatmosphäre schützt vor einem Übermaß an kosmischer Strahlung. Sie reduziert Licht, UV- und IR-Strahlung so weit, dass organisches Leben möglich ist.

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