Licht ist der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung von etwa 380 bis 780 Nanometer (nm) Wellenlänge. Gelegentlich steht der Begriff Licht auch für das gesamte elektromagnetische Wellenspektrum.
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Wissenschaft
Physiologie
Die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigment-Molekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Sehzapfenarten und Stäbchen des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Während die Sehzapfen für das Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Sehstäbchen in der Netzhaut mit den Retinal-Molekülen unter Rhodopsin-Abspaltung die Lichtstärke.
Die Farbwirkung des physiologischen Sehens entsteht durch die Absorption einzelner Wellenlängen durch einen Farbstoff. Werden 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 Beugungsgitter oder ein Prisma kann man dieses polychromatische (mehrfarbige) Licht in seine monochromatischen (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:
| Farbton | Wellenlänge | Wellenfrequenz | |
|---|---|---|---|
| Violett | 380 - 420 nm | 789 - 714 THz | |
| Blau | 420 - 490 nm | 714 - 612 THz | |
| Grün | 490 - 575 nm | 612 - 522 THz | |
| Gelb | 575 - 585 nm | 522 - 513 THz | |
| Orange | 585 - 650 nm | 513 - 462 THz | |
| Rot | 650 - 750 nm | 462 - 400 THz |
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, in dem mehrere Wellenlängen vorkommen (additive Farbmischung) oder durch subtraktive Farbmischung aus gefiltertem weißem Licht.
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. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Flammen, Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht.
Aus physikalischen Experimenten - wie dem Youngschen Doppelspaltexperiment - folgt zum einen, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Zum anderen folgt aus Experimenten wie z. B. dem Compton-Effekt 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, in dem 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 Lichtteilchen (auch „Photonen“ genannt) besitzen im Teilchenmodell keine Ruhemasse und bewegen sich im Vakuum, unabhängig vom Bewegungszustand des Betrachters (siehe Michelson-Morley-Experiment), stets mit der Lichtgeschwindigkeit c. Die Lichtgeschwindigkeit spielt eine entscheidende Rolle in der Relativitätstheorie. Sie liefert auch den Proportionalitätsfaktor zwischen der Energie E und der Masse m in der berühmten Formel von Einstein E = m · c².
Dies ist die so genannte Masse-Energie-Äquivalenz. Diese besagt, dass 1g Masse einer Energie von ca. 25 Mio. kWh entspricht. Bei einer normalen Glühlampe erhält man nur den zwanzigsten Teil der verbrauchten Energie in Form von sichtbarem Licht. Das heißt nun, dass 1g Licht einer Energie von 20 x 25 Mio. kWh = 500 Mio kWh entspricht. Bei einem Preis von 0,16 € pro kWh sind das also 80.000.000,-€. Demnach ist Licht der mit Abstand teuerste in der Natur vorkommende Stoff der Welt. siehe auch: Landau/Rumer "Was ist die Relativitätstheorie?" Moskau, 1963
Des Weiteren ist der Zusammenhang zwischen der Frequenz f der Welle im Wellenmodell und der Energie E des zugehörigen Photons im Teilchenmodell durch das Plancksche Wirkungsquantum h in der Formel E = h · f gegeben.
Nach der Relativitätstheorie hat das Licht zwar keine Ruhemasse, aber eine Masse aufgrund seiner Energie, die es transportiert. Demnach wird Licht im Gravitationsfeld abgelenkt. Es trägt aus gleichem Grund aber auch selbst ein schwaches Gravitationsfeld, das sich z. B. in einem Ringlaser nachweisen lässt.
Wenn Elektronen in einem Atom von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden elektromagnetische Wellen emittiert. Wird sichtbares Licht emittiert, so spricht man von Lumineszenz.
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“). Nichtlichtdurchlässigkeit wird auch als undurchsichtig bezeichnet.
Biophysik
Bei den autotrophen Organismen wird der freiwerdende Energiebetrag in chemischen Verbindungen gebunden (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.
- Die Lichtfarbe ist von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Diese wiederum ist umgekehrt proportional zur Quantenenergie der Lichtquanten.
- Die Polarisation des Lichtes beschreibt die Orientierung der elektrischen bzw. magnetischen Feldvektoren des Lichtes. 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 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, die die während eines Jahres vom Licht zurückgelegte Strecke bezeichnet
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, Gebäude). 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 (beachte Lichtblick). Ein Mangel an Intelligenz wird auch als „geistige Dunkelheit“ oder „Umnachtung“ bezeichnet.
Licht aus Sicht des Gesetzgebers
Licht zählt als ein Umweltfaktor zu den Immissionen i. S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) (Deutschland). 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 Länder (Deutschland). 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, z. B. unmögliche astronomische Beobachtung infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels).
Nachweis
Licht kann am einfachsten mit dem Auge nachgewiesen werden - dementsprechend spielt das Auge nach wie vor eine wichtige Rolle bei der direkten Beobachtung von Vorgängen, bei denen Licht eine Rolle spielt. Wesentlich leistungsfähiger (Auflösung, Empfindlichkeit, Spektralbereich) als das menschliche Auge sind diejenigen mancher Tiere.
Fotografischer 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, Restlichtverstärker, Photomultiplier) und inneren (Halbleiterdetektoren wie Fotodiode, Fototransistor, Fotowiderstand) photoelektrischen Effekt.
Komplexe Sensoren (line arrays / Zeilensensoren und matrix arrays / 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 Photo-Lumineszenz 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 sowie thermische Leistungsmesser für Laserstrahlen großer Leistung.
Siehe auch
- Physikalische Beschreibung
- Objekte
- Lichtquelle
- Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
- Tscherenkow-Licht
- Erstes Licht, Astronomie
- Sonnenlicht
- Polarlicht
- Glanzlicht
- Andere Bedeutungen
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. Aus dem Amerikanischen übersetzt von Hainer Kober. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 1998. ISBN 3-423-33020-1 (amerik. Originalausgabe New York 1996, ISBN 0-8050-3211-8)
- Walter Russell: Geheimnis des Lichtes. Genius Verlag, www.genius-verlag.de, 2002, ISBN 3-934719-07-4
- Prof. Lew D. Landau/Prof. Juri B. Rumer: Was ist die Relativitätstheorie? Moskau, 1963 bzw. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig, 1981
Weblinks
- Nachweise zum Thema Licht
- Infoline-Lichtplanung (Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc.)
- Modellvorstellungen von Licht (Universität Ulm)
- Erste Vorraussage der Lichtablenkung anhand der Newtonschen Korpuskeltheorie
Video
Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri:
