Lichtschein ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Zum österreichischen Hockey- und Eishockeytorwart sieheFritz Lichtschein.
Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unterLicht (Begriffsklärung) aufgeführt.
Licht wird durch eindreieckigesDispersionsprisma in seineSpektralfarben aufgeteilt, die verschieden stark gebrochen werdenDurch die Latten einer Scheune einfallendes Sonnenlicht
Die physikalischen Eigenschaften des Lichts werden durch verschiedene Modelle beschrieben: In derStrahlenoptik wird die geradlinige Ausbreitung des Lichts durch „Lichtstrahlen“ veranschaulicht; in derWellenoptik wird die Wellennatur des Lichts betont, wodurch auchBeugungs- undInterferenzerscheinungen erklärt werden können. In derQuantenphysik schließlich wird das Licht als ein Strom von Quantenobjekten, denPhotonen (veranschaulichend auch „Lichtteilchen“ genannt), beschrieben. Eine vollständige Beschreibung des Lichts bietet dieQuantenelektrodynamik. ImVakuum breitet sich Licht mit der konstantenLichtgeschwindigkeit von 299.792.458 m/s aus. Trifft Licht auf Materie, so kann esgestreut,reflektiert,gebrochen und verlangsamt oderabsorbiert werden.
Licht ist der für das menschliche Auge adäquateSinnesreiz. Dabei wird dieIntensität des Lichts alsHelligkeit wahrgenommen, die spektrale Zusammensetzung alsFarbe.[3]
Bis weit in die Neuzeit hinein war weitgehend unklar, was Licht tatsächlich ist. Man glaubte teilweise, dass die Helligkeit den Raum ohne Zeitverzögerung ausfüllt.Pythagoras undEuklid waren der Auffassung, dass „heiße Sehstrahlen“ von den Augen ausgehen und von anderen Objekten zurückgedrängt werden.[4][5] Würde dies stimmen, müsste der Mensch auch im Dunklen sehen können.[6] Es gab jedoch auch schon seit der Antike Vorstellungen, nach denen das Licht von der Lichtquelle mit endlicher Geschwindigkeit ausgesendet wird.
Galileo Galilei versuchte als einer der ersten, dieAusbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ernsthaft zu messen, jedoch ohne Erfolg. Dafür waren die ihm zur Verfügung stehenden Mittel viel zu grob. Dies gelang erstOle Rømer anhand von Beobachtungsdaten derJupitermonde 1675, insbesondere des MondesIo. Zwar betrug die Abweichung seines Messwerts (ca. 2,1 · 108 m/s) vom tatsächlichen Wert rund 30 %, die eigentliche Leistung Rømers bestand jedoch darin, nachzuweisen, dass sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet.[7] Rømers Messwert wurde im Laufe der folgenden 200 Jahre durch immer raffiniertere Verfahren (vor allem durchHippolyte Fizeau undLéon Foucault) mehr und mehr präzisiert. Die Natur des Lichts blieb jedoch weiter ungeklärt. Im 17. Jahrhundert versuchteIsaac Newton mit seinerKorpuskeltheorie, die Ausbreitung des Lichts durch die Bewegung von kleinen Teilchen zu erklären. Damit konnte man zwar dieReflexion verstehen, nicht jedoch manche andere optische Phänomene, wie dieBeugung, bei der es sich eindeutig um ein Wellenphänomen handelt. Zur gleichen Zeit begründetenChristiaan Huygens und andere dieWellentheorie des Lichts,[8] die sich aber erst Anfang des 19. Jahrhunderts nach denDoppelspaltexperimenten vonThomas Young zunehmend durchsetzte.[9]
Michael Faraday erbrachte 1846 als erster den Nachweis, dass Licht und Magnetismus zwei miteinander verbundene physikalische Phänomene sind. Er veröffentlichte den von ihm gefundenenmagnetooptischen Effekt, der heute alsFaraday-Effekt[10] bezeichnet wird, unter dem TitelÜber die Magnetisierung des Lichts und die Belichtung der Magnetkraftlinien.[11]
James Clerk Maxwell formulierte 1864 die noch heute gültigenGrundgleichungen der Elektrodynamik und erkannte, dass dadurch die Existenz freierelektromagnetischer Wellen vorhergesagt wurde. Da deren vorhergesagte Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, schloss er, dass das Licht wohl eine elektromagnetische Welle sei.[12] Er vermutete (wie damals nahezu alle Physiker), dass diese Welle nicht im leeren Raum existieren könne, sondern ein Ausbreitungsmedium brauche. Dieses Medium, das das gesamte Weltall ausfüllen müsste, wurde alsÄther bezeichnet.[13]
Mit der darauf aufbauendenelektromagnetischen Lichttheorie schienen im ausgehenden 19. Jahrhundert beinahe alle Fragen zum Licht geklärt. Allerdings ließ sich einerseits der postulierte Äther nicht nachweisen (sieheMichelson-Morley-Experiment), was letztendlich das Tor zurspeziellen Relativitätstheorie aufstieß. Andererseits schien unter anderem derPhotoeffekt der Wellennatur des Lichts zu widersprechen. So entstand eine radikal neue Sichtweise des Lichts, die durch die Quantenhypothese vonMax Planck undAlbert Einstein begründet wurde. Kernpunkt dieser Hypothese ist derWelle-Teilchen-Dualismus, der das Licht nun nicht mehr ausschließlich als Welle oder ausschließlich als Teilchen beschreibt, sondern alsQuantenobjekt.[14] Als solches vereint es Eigenschaften von Welle und von Teilchen, ohne das eine oder das andere zu sein und entzieht sich somit unserer konkreten Anschauung. Daraus entstand Anfang des 20. Jahrhunderts dieQuantenphysik und später dieQuantenelektrodynamik, die bis heute unser Verständnis von der Natur des Lichts darstellt.[15]
Im Folgenden werden die wichtigsten Modelle zur Beschreibung des Lichts vorgestellt. Wie alle Modelle in der Physik sind auch die hier aufgeführten in ihrem Geltungsbereich beschränkt. Eine nach unserem heutigen Wissen vollständige Beschreibung des Phänomens „Licht“ kann nur die Quantenelektrodynamik liefern.
Linear polarisierte elektromagnetische Welle im Vakuum. Die monochromatische Welle mitWellenlänge breitet sich inx-Richtung aus, dieelektrische Feldstärke (in blau) und diemagnetische Flussdichte (in rot) stehen zueinander und zur Ausbreitungsrichtung im rechten Winkel.
In der klassischen Elektrodynamik wird Licht als eine hochfrequente elektromagnetische Welle aufgefasst. Im engeren Sinne ist „Licht“ nur der für das menschliche Auge sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums – dassichtbare Licht – also Wellenlängen zwischen ca. 380 und 780 nm. Dies entsprichtFrequenzen von ca. 790 bis 385 THz. Es ist eineTransversalwelle, wobei die Amplitude durch den Vektor deselektrischen Feldes oder desMagnetfeldes gegeben ist. Die Ausbreitungsrichtung verläuft senkrecht dazu. Die Richtung des-Feld-Vektors oder-Feld-Vektors wirdPolarisationsrichtung genannt. Bei unpolarisiertem Licht setzt sich das Strahlungsfeld aus Wellen aller Polarisationsrichtungen zusammen. Sichtbares Licht (wie alle elektromagnetischen Wellen) breitet sich im Vakuum mit derLichtgeschwindigkeit von c = 299 792 458 m/s aus.
Offensichtlich hängt die Lichtgeschwindigkeit – genauer: diePhasengeschwindigkeit des Lichts – in Medien von deren Materialeigenschaften ab. Diese können imBrechungsindex zusammengefasst werden. Im Allgemeinen ist er frequenzabhängig, was alsDispersion bezeichnet wird. Darauf beruht unter anderem die Fähigkeit einesPrismas, das Licht in seine spektralen Anteile zu zerlegen. Kurzwelliges blaues Licht (< 450 nm) wird bei normaler Dispersion stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht (> 600 nm).
Die Strahlenoptik (auch geometrische Optik) macht sich die Näherung zunutze, dass die Ausbreitung des Lichts durch gerade „Strahlen“ veranschaulicht werden kann. Diese Näherung ist vor allem dann gerechtfertigt, wenn die Abmessungen der Versuchsanordnung groß gegenüber der Wellenlänge des Lichts sind. Dann können sämtliche Beugungsphänomene vernachlässigt werden. Das Bindeglied zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik ist derWellenvektor, dessen Richtung mit der Richtung des Lichtstrahls übereinstimmt. Die Strahlenoptik ist besonders gut geeignet, Phänomene wie Licht undSchatten,Reflexion oderBrechung zu beschreiben. Daher kann mit ihr die Funktion vieler optischer Geräte (Lochkamera,Lupe,Teleskop,Mikroskop) erklärt werden. Insbesondere sind die Abbildungsgesetze auch die Grundlage für das Verständnis des Brechapparats im menschlichen Auge.
Prinzipien von Strahlen
Lichtstrahlen breiten sich immer geradlinig aus und ändern ihre Richtung nur dann, wenn sie auf einen Körper treffen (durch Reflexion, Brechung oder Streuung), unberücksichtigt der in derAstronomie beobachteten Ablenkung des Lichts durch schwereMassen (Gravitationslinseneffekt).
Lichtstrahlen können einander durchdringen, ohne sich gegenseitig dabei zu beeinflussen.
Der Lichtweg ist umkehrbar. Das bedeutet, dass jederStrahlengang auch dann allen optischen Gesetzen genügen würde, wenn man die Ausbreitungsrichtung des Lichts umkehren würde.
Reflexion und Brechung an der Grenzschicht zweier transparenter Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex
Von spiegelnden Oberflächen (blankes Metall, Wasseroberfläche) wird Licht nach demReflexionsgesetz reflektiert. Der einfallende und der ausfallende Strahl sowie das Lot auf der reflektierenden Fläche liegen in einer Ebene. Einfallswinkel und Ausfallswinkel sind einander gleich. Das Verhältnis der reflektierten Lichtintensität zur einfallenden Lichtintensität wird alsReflexionsgrad bezeichnet und ist material- und wellenlängenabhängig. Der Reflexionsgrad gibt an, wie viel Prozent des auf eine Fläche fallenden Lichtstroms reflektiert werden.[16]
Licht wird an der Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher optischer Dichte gebrochen, d. h., ein Strahl ändert an dieser Grenzfläche seine Richtung. (Der Vollständigkeit halber sei gesagt, dass an einer solchen Grenzfläche stets auch die Reflexion mehr oder weniger stark auftritt.) DasBrechungsgesetz von Snellius besagt:
Der einfallende und der gebrochene Strahl sowie das Lot auf der Grenzfläche liegen in einer Ebene. Dabei ist der Winkel zwischen Lot und Lichtstrahl in dem Medium kleiner, das den höheren Brechungsindex hat.
Die genauen Winkel können durch die Brechungsindizes der beteiligten Medien berechnet werden:
.
Wenn der einfallende Strahl aus dem optisch dichteren Medium unter einem flachen Winkel auf die Grenzfläche trifft, gibt es keinen reellen Winkel für den gebrochenen Strahl, der diese Bedingung erfüllt. In diesem Fall tritt statt der Brechung eineTotalreflexion auf.
Beugung einer ebenen Welle an einem Doppelspalt: Von den beiden Spalten geht je eine Elementarwelle aus, die beide zu dem typischen Beugungsmuster eines Doppelspalts interferieren.
Jeder Punkt einer Wellenfront ist der Ausgangspunkt einer Elementarwelle. Eine Wellenfront ergibt sich als Überlagerung dieser Elementarwellen.
MitElementarwelle ist in diesem Zusammenhang eine Kugelwelle gemeint, die von einem bestimmten Punkt ausgeht.Wellenfronten sind die Flächen gleicher Phase. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenfronten ist somit die Wellenlänge. Die Wellenfronten einer ebenen Welle sind also Ebenen, die Wellenfronten von Elementarwellen sind konzentrische Kugelflächen. Die Ausbreitungsrichtung (also die Richtung des Wellenvektors) bildet stets eineNormale zur Wellenfront. Mit der Wellenoptik lassen sich alle Phänomene der Beugung undInterferenz verstehen. Sie eignet sich aber auch, das Reflexions- und das Brechungsgesetz herzuleiten. Die Wellenoptik widerspricht also nicht der Strahlenoptik, sondern erweitert und vertieft diese.
Historisch nimmt die Wellenoptik von Huygens und Fresnel schon eine wesentliche Erkenntnis der Elektrodynamik vorweg: Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen.
In der Quantenphysik wird Licht nicht mehr als klassische Welle, sondern als Quantenobjekt aufgefasst. Demnach setzt sich das Licht aus einzelnen diskreten Energiequanten zusammen, den sogenannten Photonen. Ein Photon ist ein Elementarteilchen, genauer ein elementaresBoson mit einerMasse von 0, das sich stets mit der Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Es trägt eine Energie von
Dabei ist die Frequenz des Lichts, die Wellenlänge und diePlanck-Konstante mit.
Das Photon hat einen Impuls von
.
Ein Photon wird entweder als Ganzes absorbiert und emittiert oder gar nicht. Es ist also „zählbar“ wie ein Teilchen. Trotzdem bleibt alles, was hier bisher über die Welleneigenschaften des Lichts gesagt wurde, gültig. Dieses merkwürdige Verhalten der Photonen, das jedoch auch alle anderen Quantenobjekte zeigen, wurde mit dem Schlagwort „Welle-Teilchen-Dualismus“ bezeichnet: Quantenobjekte sind weder wie klassische Teilchen noch wie klassische Wellen zu verstehen. Je nach Betrachtungsweise zeigen sie Eigenschaften der einen oder der anderen.
In der heute gängigsten Interpretation der Quantenmechanik (Kopenhagener Deutung) kann man den genauen Ort eines Photons nichta priori vorhersagen. Man kann nur Aussagen über die Wahrscheinlichkeit machen, mit der ein Photon an einer bestimmten Stelle auftreffen wird. Diese Wahrscheinlichkeitsdichte ist durch dasBetragsquadrat der Amplitude der Lichtwelle gegeben.
Historisch wurde die quantenmechanische Beschreibung des Lichts notwendig, weil sich einige Phänomene mit der reinklassischen Elektrodynamik nicht erklären ließen:
Stellt man sich eine thermische Lichtquelle (im Idealfall einSchwarzer Körper) als eine Ansammlungen von vielen atomaren Oszillatoren vor, die mit dem Strahlungsfeld im Gleichgewicht stehen, so würde eine klassische Herleitung zur „UV-Katastrophe“ führen, kurzwellige Strahlung müsste im Spektrum des Schwarzen Körpers viel stärker vertreten sein, als sie es ist. (Rayleigh-Jeans-Gesetz)
Die klassische Elektrodynamik würde vorhersagen, dass die Energie von Elektronen, die beimPhotoeffekt freigesetzt werden, proportional zurIntensität der absorbierten Strahlung ist. Tatsächlich ist sie aber (abgesehen von einem konstanten Summanden) proportional zurFrequenz der Strahlung. Dieser Zusammenhang lässt sich klassisch nicht verstehen.
Empfindliche Detektoren (beispielsweisePhotomultiplier) empfangen bei schwacher Einstrahlung nicht etwa eine konstant gleichmäßig niedrige Intensität, sondern einzelne, sowohl räumlich als auch zeitlich sehr eng begrenzte Signale.
Das Spektrum vonRöntgenbremsstrahlung hat eine kurzwellige Grenze, die direkt mit der Energie der Elektronen zusammenhängt, die für ihre Erzeugung verwendet wurden.
gibt es noch zahlreiche weitere Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie.
Absorption: Die Energie des einfallenden Lichts wird von einem Körper verschluckt. Dies kann dazu führen, dass ein Elektron auf ein höheresEnergieniveau gehoben wird, dass sich der Körper erwärmt usw. Wenn die Strahlung unabhängig von ihrer Wellenlänge absorbiert wird, erscheint der Körper schwarz. Wird nur ein Teil des Spektrums absorbiert, so bestimmen die übrig gebliebenen Teile des Spektrums die Farbe des Körpers (Subtraktive Farbmischung). Im Falle der elektronischen Anregung kann die Energie auch wieder in Form von Strahlung abgegeben werden. Man spricht vonspontaner Emission, vonFluoreszenz oder – wenn der Vorgang zeitlich deutlich verzögert erfolgt – vonPhosphoreszenz.
Doppelbrechung: Manche Materialien spalten einen Lichtstrahl in zwei Strahlen unterschiedlicher Polarisation auf.
Optische Aktivität: Bestimmte Medien können die Polarisationsebene von polarisiertem Licht drehen.
Streuung: Das Licht ändert seine Ausbreitung, jedoch nicht wie bei der Reflexion in eine definierte Richtung, sondern diffus in alle möglichen Raumrichtungen. Je nach dem streuenden Körper unterscheidet man zwischenCompton-Streuung (an freien Elektronen),Rayleigh-Streuung (an gebundenen Elektronen ohne Energieübertrag),Raman-Streuung (an gebundenen Elektronen mit Energieübertrag),Mie-Streuung (an Teilchen, deren Ausdehnung in der Größenordnung der Wellenlänge liegt).
Prinzipiell unterscheidet man zwischenthermischen undnicht-thermischen Strahlern. Erstere beziehen die Energie für die Strahlungsemission aus der thermischen Bewegung ihrer Teilchen. Beispiele sind Kerzenflammen, glühende Körper (Glühdraht einerGlühlampe) und dieSonne. Das Spektrum eines thermischen Strahlers ist kontinuierlich, d. h., es treten alle Wellenlängen auf, wobei die spektralen Anteile nach demPlanckschen Strahlungsgesetz ausschließlich von der Temperatur abhängen, jedoch, abgesehen vom spektralenEmissionsgrad, nicht vom Material des Strahlers.
Im Gegensatz dazu haben nicht-thermische Lichtquellen kein kontinuierliches Spektrum, sondern ein Linien- oder ein Bandenspektrum. Das bedeutet, dass nur ganz bestimmte Wellenlängen abgestrahlt werden. Linienspektren treten beiGasentladungsröhren auf, Bandenspektren beiLeuchtdioden,Polarlichtern oderLeuchtkäfern. Die Energiequellen für die Strahlung sind hier elektrischer Strom, Teilchenstrahlung oder chemische Reaktionen. Linienspektren sind oft charakteristisch für bestimmte Stoffe.
Eine Sonderstellung unter den Lichtquellen nimmt derLaser ein. Laserlicht ist nahezumonochromatisch (es besteht fast nur aus einer Wellenlänge), mehr oder wenigerkohärent (es besteht eine feste Phasenbeziehung zwischen mehreren Wellenzügen) und oftpolarisiert.
Der intakte Sehsinn ist der einfachste Nachweis. Dementsprechend spielt dasAuge eine wichtige Rolle bei der direkten Beobachtung von Vorgängen, an denen Licht beteiligt ist.
Derfotografische Film spielte bei der Erforschung der Natur des Lichtes eine große Rolle: Man kann durch lange Belichtung geringste Lichtintensitäten von fernen Sternen und deren Spektren dokumentieren. Fotografische Schichten können für verschiedene Bereiche des Spektrums sensibilisiert werden. Inzwischen wird der fotografische Film jedoch mehr und mehr durchBildsensoren verdrängt.
DurchFluoreszenz kann Ultraviolett und auch Infrarot (nach einerZwei-Photonen-Absorption) nachgewiesen werden, indem das entstehende sichtbare Licht ausgewertet wird.
Licht lässt sich auch durch seine thermische Wirkung nachweisen. Auf diesem Prinzip beruhen die in derAstronomie verwendetenBolometer zur Vermessung der Strahlungsleistung astronomischer Lichtquellen sowie thermische Leistungsmesser für Laserstrahlen hoher Leistung.
Absorptionsspektrum des grünen BlattfarbstoffsChlorophylla undb, mit dem Pflanzen Licht aufnehmen und in der Folge verwerten können; siehe auchSoret-Bande
Licht stellt für Pflanzen – neben der Verfügbarkeit von Wasser – den wichtigsten Ökofaktor dar, weil es Energie für diePhotosynthese liefert. Die von denChlorophyll-Molekülen in denChloroplasten absorbierte Lichtenergie wird genutzt, um Wassermoleküle zu spalten (Photolyse) und soReduktionsmittel für die Photosynthese herzustellen. Diese werden in einem zweiten Schritt verwendet, umKohlenstoffdioxid schrittweise schließlich zuGlucose zu reduzieren, woraus unter anderemStärke aufgebaut wird. Der bei der Fotolyse anfallende Sauerstoff wird als Reststoff an die Atmosphäre abgegeben. Die Summenreaktionsgleichung der Photosynthese lautet:
Den Aufbau von organischen Verbindungen aus Kohlenstoffdioxid bezeichnet man als Kohlenstoffdioxid-Assimilation. Organismen, die mithilfe von Licht dazu in der Lage sind, nennt manphoto-autotroph. Neben denGefäßpflanzen gehören auchMoose,Algen und einigeBakterien dazu, beispielsweiseCyanobakterien undPurpurbakterien. Alleheterotrophen Organismen sind von dieser Assimilation abhängig, weil sie ihren Energiebedarf nur aus organischen Verbindungen, die sie mit der Nahrung aufnehmen müssen, decken können.
Die Konkurrenz der Pflanzen ums Licht macht sich im „Stockwerkaufbau“ desWaldes und der damit verbundenen Spezialisierung von Licht- undSchattenpflanzen oder in der jahreszeitlichen Abfolge verschiedenerAspekte bemerkbar. In Gewässern dientnur die lichtdurchflutete oberste Schicht, dieNährschicht, der Bildung von Biomasse und Sauerstoff, hauptsächlich durchPhytoplankton. Weil viele Tiere und Einzeller durch das hohe Nahrungsangebot und den vergleichsweise hohen Sauerstoffgehalt des Wassers hier gute Lebensbedingungen finden, werden sie durch das Licht angelockt.
Großer Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca), weibliches Tier beim hochsommerlichen Lock-Leuchten
Der Licht- oder Sehsinn ist für viele Tiere einer der wichtigsten Sinne. Er dient zur Orientierung im Raum, zur Steuerung desTag-Nacht-Rhythmus, zum Erkennen von Gefahren, zum Aufspüren von Beute und zur Kommunikation mit Artgenossen. Daher haben sich im Laufe der Evolution in den verschiedenstenTaxa die unterschiedlichsten Lichtsinnesorgane entwickelt. Diese reichen von den einfachen Augenflecken vonEuglena über einfache Pigmentfelder bis zu den komplex aufgebautenFacettenaugen undLinsenaugen. Nur wenige Tiere sind vollkommen unempfindlich für Lichtreize. Dies ist höchstens dann der Fall, wenn sie in völliger Dunkelheit leben, wie Höhlentiere.
Sowohl für Räuber- als auch Beutetiere ist es von Vorteil,nicht gesehen zu werden. Anpassungen daran sindTarnung undNachtaktivität. Dahingegen haben viele Lebewesen selbst die Fähigkeit entwickelt zu leuchten. Das bekannteste Beispiel ist derLeuchtkäfer. Man findet dieses Phänomen derBiolumineszenz aber auch beiTiefseefischen,Leuchtkrebsen, Pilzen (Hallimasch) oder Bakterien. Der Nutzen der Biolumineszenz wird vor allem mit innerartlicher Kommunikation, der Abschreckung von Fraßfeinden und dem Anlocken von Beute erklärt.
Schematischer Längsschnitt durch das menschliche Auge
Das Licht, das ins menschliche Auge fällt, wird durch den Brechapparat (bestehend ausHornhaut, vorderer und hinterer Augenkammer,Linse undGlaskörper) auf dieNetzhaut projiziert. Dort entsteht ein reelles, auf demKopf stehendes Bild (vergleichbar dem Vorgang in einer Fotokamera). Dadurch werden die in der Netzhaut befindlichenPhotorezeptoren (= Lichtsinneszellen) gereizt, die den Reiz in ein elektrisches Signal wandeln. Dieses Signal wird über den Sehnerv, in den die einzelnen Nervenstränge der Netzhaut münden, zumGehirn geleitet. Dort werden die auf dem Kopf stehenden Bilder unserer Umwelt dann in Echtzeit „gerade gerückt.“
Lichtintensität wird alsHelligkeit empfunden. Das Auge kann sich durch verschiedene Mechanismen an die – viele Zehnerpotenzen umfassenden – Intensitäten anpassen (sieheAdaption). Die empfundene Helligkeit hängt dabei mit der tatsächlichen Intensität über dasWeber-Fechner-Gesetz zusammen.
Die spektrale Zusammensetzung des Lichtreizes wird alsFarbe wahrgenommen, wobei das menschliche Auge Licht mit Wellenlängen zwischen ca. 380 nm und 750 nm erfassen kann. Trennt man weißes Licht (durch ein Prisma) auf, so erscheinen die Wellenlängen als Farben des Regenbogens.
Projektion einiger Farben und derer Spektralbereiche in denRGB-Farbraum.[17]
Farbname
Wellenlänge
Frequenz
violett
380–400 nm
749–789 THz
400–425 nm
705–749 THz
indigo
425–450 nm
666–705 THz
blau
450–460 nm
652–666 THz
460–465 nm
645–652 THz
465–470 nm
638–645 THz
470–475 nm
631–638 THz
türkis
475–485 nm
618–631 THz
485–500 nm
600–618 THz
grün
500–520 nm
577–600 THz
520–540 nm
555–577 THz
540–550 nm
545–555 THz
550–560 nm
535–545 THz
gelb
560–565 nm
531–535 THz
565–570 nm
526–531 THz
570–575 nm
521–526 THz
575–580 nm
517–521 THz
orange
580–590 nm
508–517 THz
590–595 nm
504–508 THz
595–600 nm
500–504 THz
rot
600–605 nm
496–500 THz
605–610 nm
491–496 THz
610–615 nm
487–491 THz
615–620 nm
484–487 THz
620–780 nm
384–484 THz
Die Tabelle rechts gilt für monochromatisches, also einfarbiges Licht einer bestimmten Wellenlänge. Mischungen aus Licht mehrerer Wellenlängen rufen hingegen andere Farbeindrücke hervor. Eineadditive Mischung aus grünem und rotem Licht erscheint dem menschlichen Auge als Gelb, die Mischung von Rot und Blau dagegen alsMagenta. Im Spektrum desRegenbogens gibt es kein Magenta, weil es keiner einzelnen Wellenlänge entspricht.[18] Gelb hingegen lässt sich sowohl durch die Mischung von Rot und Grün (wie es beimRGB-Bildschirm geschieht) als auch durch monochromatisches Licht um 570 nm erzeugen.Die FarbeBraun, die allgemein für eine Mischfarbe gehalten wird, kann dagegen durch einfarbiges Orange erzeugt werden, wenn dessen Intensität im Vergleich zur Umgebung schwach ist.[19]
Empfindlichkeit der menschlichen Photorezeptoren der Stäbchen (schwarz gestrichelt) und der 3Zapfentypen (S, M und L)
Die Netzhaut des Auges ist mit verschiedenen Sinneszellen ausgestattet: DieStäbchen weisen eine breite spektrale Ansprechbarkeit auf und zeichnen sich durch eine hohe Sensitivität aus. Sie sind daher auf das Sehen in der Dämmerung spezialisiert, können jedoch keine Farben unterscheiden. DieZapfen hingegen, die an stärkere Intensitäten angepasst sind, kommen in drei verschiedenen Typen vor, die jeweils bei einer anderen Wellenlänge ihr Reaktionsoptimum haben. Ihre Verschaltung ermöglicht letztlich dasFarbensehen.
Sowohl bei den Stäbchen als auch bei den Zapfen beruht der Sehvorgang auf der Absorption von Photonen durch das Sehpigment (im Falle der Stäbchen:Rhodopsin). DerLigandRetinal macht dabei eineIsomerisierung durch, die dazu führt, dass das Rhodopsin zerfällt und die Signalkaskade derPhototransduktion in Gang setzt. Die dadurch verursachteHyperpolarisation der Zellmembran der Stäbchen und Zapfen bewirkt ein elektrisches Signal, das an die nachgeschalteten Nervenzellen weitergegeben wird.
Neben Zapfen und Stäbchen gibt es einen dritten Lichtrezeptor, dieMelanopsin enthaltendephotosensitive retinale Ganglienzelle. DieseRezeptorzellen sprechen besonders empfindlich auf blaues Licht an und sind an der Steuerung derinneren Uhr beteiligt. Ihre Entdeckung Anfang der Jahrtausendwende forcierte die Entwicklung von tageslichtähnlichen Beleuchtungskonzepten für Innenräume, wie bspw. dasHuman Centric Lighting.[20]
Die Leistungen der Lichtsinnesorgane anderer Lebewesen unterscheiden sich zum Teil erheblich von denen des Menschen. Die meisten Säugetiere haben ein eher unterentwickeltes Farbensehen. Vögel hingegen verfügen über mehr Zapfentypen und können dementsprechend mehr Farben unterscheiden als der Mensch. Bienen sind zwar mehr oder weniger unempfindlich für langwelliges (rotes) Licht, können aber das sehr kurzwellige UV-Licht wahrnehmen, das für den Menschen unsichtbar ist. Außerdem können sie die Polarisationsrichtung des Lichts wahrnehmen. Dies hilft ihnen bei der Orientierung im Raum mithilfe desHimmelblaus. Manche Schlangen wiederum können die ebenfalls für uns unsichtbaren IR-Strahlen mit ihrenGrubenorganen wahrnehmen.
Beiorganischen Farbstoffen könnendelokalisierte π-Elektronen durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nachMolekül bestimmte Wellenlängen absorbiert.
Beianorganischen Farbstoffen können auch Elektronen aus dend-Orbitalen eines Atoms in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt werden (sieheLigandenfeldtheorie). Des Weiteren können Elektronen ihre Position zwischen Zentralion undLigand innerhalb eines Komplexes wechseln (siehe auchCharge-Transfer-Komplexe undKomplexchemie).
DieLichtgeschwindigkeit (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.
DasLichtjahr (Lj, ly) ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Es wird in der Astronomie als Längeneinheit verwendet.
DieLichtfarbe ist von der spektralen Zusammensetzung des Lichtes bestimmt. Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zurEnergie der Lichtquanten.
DiePolarisation des Lichtes beschreibt die Orientierung der elektrischen und magnetischen Feldvektoren des Lichtes im Raum. Das flach andielektrischen 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 derOptik undLasertechnik eine große Rolle.
Lichtstrom (Einheit:Lumen) gibt an, wie viel Licht eine Lichtquelle in alle Richtungen abgibt.
Lichtmenge (Einheit: Lumensekunde) ist der über die Zeit integrierte Lichtstrom.
Lichtstärke (Candela) ist der Lichtstrom pro Raumwinkel. Durch Bündelung kann der Lichtstrom erhöht werden.
Leuchtdichte (Einheit: cd/m²) ist die Lichtstärke pro Fläche eines Lichtemitters (z. B. Glühfaden, Lichtbogen, Leuchtdiode).
Beleuchtungsstärke (Einheit:Lux) beschreibt, wie viel Licht auf eine Fläche fällt. Sie wird mit einem Luxmeter gemessen.
DieFarbtemperatur (Einheit: Kelvin) klassifiziert den Farbeindruck einer Lichtquelle. Sie ist die Temperatur, die einSchwarzer Strahler haben muss, um mit möglichst ähnlicher Lichtfarbe zu leuchten. Je stärker die Lichtfarbe ins Blau-Weiße geht und damit als „kühler“ empfunden wird, desto höher die Farbtemperatur.
DerStrahlungsdruck (Einheit: Pascal) ist die physikalische Kraftwirkung des Lichtes auf Teilchen oder Gegenstände und spielt aufgrund seines geringen Betrages kaum eine Rolle.
Licht ist, wieFeuer, eines der bedeutendstenPhänomene für alle Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht ausLichtquellen 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, Leuchtmittel oder Lichtquelle bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eineLeuchte.
AlsAchluophobie, auch alsNyktophobie (von altgriechisch: νύξ, νυκτός – nýx, nyktós – f. = die Nacht) oder alsSkotophobie (von σκότος, σκότου – skótos – m. = die Dunkelheit) bezeichnenPsychiater die ausgeprägte (z. T. krankhafte) Angst vor der Dunkelheit. Die Phobie kommt bei Kindern häufig vor, ist aber auch bei Erwachsenen anzutreffen. Eine als weniger gravierend bewertete Form der Achluophobie ist derPavor nocturnus.
In derjüdischen Religion hat das Licht (hebräischאורor) einen hohen symbolischen Wert, so ist es Ausdruck der göttlichen Präsenz und in derSchöpfungsgeschichte[21] zentral: In der Schöpfungsgeschichte derhebräischen Bibel, speziell in derTora und dort imBereschit (hebräischבְּרֵאשִׁיתIm Anfang), wird Licht als das erste Werk Gottes erschaffen (Gen 1,3 EU ‚Es werde Licht‘). Licht symbolisiert daher Gottes Schöpfungsakt und seine Gegenwart in der Welt.[22]Auch in der jüdischen Mystik, in derKabbala, hat Licht eine besonders tiefgehende und zentrale Bedeutung. Es ist dort ein Symbol für das göttliche Prinzip, das alles durchdringt, formt und mit Leben erfüllt.
ImChristentum steht das Licht in der SelbstbezeichnungJesu Christi – „Ich bin das Licht der Welt.“ (Joh 8,12 EU) – für die Erlösung des Menschen aus dem Dunkel der Gottesferne. Ebenso wird auch aufLuzifer als denLichtbringer oderLichtträger referiert. In der biblischen Schöpfungsgeschichte ist das Licht das zweite Werk Gottes, nach Himmel und Erde. ImRequiem, der liturgischen Totenmesse, ist einLux aeterna enthalten. ImBuddhismus und anderen Religionen wie im allgemeinen Sprachgebrauch gibt es das Ziel derErleuchtung.Buddha selbst wird „der Erleuchtete“ genannt. Die Kategorien „hell“ (Antonym: „dunkel“) und „klar“ (Antonym: „nebulös“) werden zumeist positivkonnotiert. In dem Satz: „Das Licht derAufklärung besiegte die Dunkelheit desMittelalters.“ ist das uralte, letztlichmanichäische Motiv vom „Sieg des Lichts über die Dunkelheit“ erkennbar. Auch der Ausdruck „Licht des Wissens“ greift das Licht symbolhaft auf um etwas über das Gegenteil Erhabenes zu beschreiben.
DasInternationale Jahr des Lichts war 2015 von derUNESCO gefeiert worden. Im November 2017 rief die Organisation denInternationalen Tag des Lichts[23] (englischInternational Day of Light[24]) aus, der seit 2018 jährlich am 16. Mai begangen wird. Ziel des Aktionstages ist die Würdigung des Lichts und seiner Rolle in Wissenschaft, Kultur und Kunst, Bildung und nachhaltiger Entwicklung sowie in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Kommunikation und Energie. Dadurch, dass das Thema Licht so breit gefächert ist, wird es verschiedenen Bereichen der Gesellschaft weltweit ermöglicht sich an Aktivitäten zu beteiligen und so zum Erreichen der Ziele der UNESCO – Bildung, Gleichheit und Frieden – beitragen.
Licht zählt als einUmweltfaktor zu denImmissionen im Sinne desBundes-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 „Licht-Richtlinie“ der Länder (in Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen)Blendung festgelegt.[25] Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- und Immissionsschutzbehörden der jeweiligen Bundesländer. Negative Auswirkungen betreffen dieVerkehrssicherheit (Navigation bei Nacht, physiologische Blendung durch falsch eingestellte Scheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen), Einflüsse auf die Tierwelt (Anziehen nachtaktiverInsekten, Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung derErdatmosphäre (Lichtverschmutzung, die astronomische Beobachtungen infolgeStreuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels behindert).
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 denWelle-Teilchen-Dualismus des Lichts.
Sidney Perkowitz:Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 1998,ISBN 3-423-33020-1.
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↑Udo Hartje:Albert Einstein's hypothetical question basic ideas for a compatible physics and a consistent natural science = Albert Einsteins hypothetische Frage. 2. Aufl., Sonderdr. Berlin 2004,ISBN 978-3-9806131-5-6,S.8.
↑Die RGB-Farbwerte sind Näherungen. Die Darstellung hängt vom verwendeten Ausgabegerät ab. Die Wahrnehmung von derPhysiologie der betrachtenden Person sowie deren Alter und dem Umgebungslicht ab. Eine umfangreiche Abhandlung findet sich in der englischsprachigen Wikipedia, Stichwort:Color Blindness. Der Übergang zwischen den Farbnamen ist kontinuierlich, es gibt keine Stufen. Der normalsichtige Mensch kann etwa 110 bis 130 unterschiedliche Farben wahrnehmen.
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