Licht

Das für Menschen sichtbare Licht ist ein Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Dieser erstreckt sich von etwa 380 bis 780 nm Wellenlänge, was einer Frequenz von etwa 789 bis 385 THz entspricht. Eine genaue Grenze lässt sich jedoch nicht angeben, da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges an den Wahrnehmungsgrenzen nicht abrupt, sondern allmählich abnimmt. Die an das sichtbare Licht angrenzenden Bereiche der Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung werden häufig ebenfalls als Licht bezeichnet.

Lichtverhältnisse und Phänomene der Physiologie werden unter Helligkeit zusammengefasst.

Der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung

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 $\lambda$/nm	Wellenfrequenz $\nu$/THz	Energie E pro Photon/eV	Wellenzahl  ${\tilde {\nu }}$/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.

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 i. S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (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 (Fotozelle, Vidicon, Bildverstärker, Photomultiplier) und inneren (Halbleiterdetektoren wie Fotodiode, 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 Fotodetektoren.

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.

Siehe auch

• Reflexion (Physik)
• Brechung (Physik)

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
• Lexikalische Nachweise zum Thema Licht
• Infoline-Lichtplanung (Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc.)
• Lichtimmissionen - Umweltbehörde (LANUV NRW)
• Modellvorstellungen von Licht (Universität Ulm)
• Experimente mit einzelnen Photonen

Einzelnachweise

Strahlung

Elektromagnetisches Spektrum

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