Licht

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Licht ist der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung von etwa 380 bis 780 Nanometer (nm) Wellenlänge, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. 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: [[Bild:Licht.jpg|thumb|300px|Licht 400-700 nm

Hinweis: Am Computerbildschirm lässt sich vom Farbspektrum des Lichts nur ein sehr begrenzter Eindruck machen (dieses Bild), da dieser nur drei Grundfarben und deren Überlagerungen darstellen kann. Vor allem in den Zwischentönen und beim Übergang ins Infrarote / Ultraviolette stößt die Anzeigetechnik an ihre Grenzen.]]

**Spektralfarben**
Farbton	Wellenlänge	Wellenfrequenz	Energie pro Photon	-	Violett	380 - 420 nm	789 - 714 THz	3,26 - 2,95 eV	-	Blau	420 - 490 nm	714 - 612 THz	2,95 - 2,53 eV	-	Grün	490 - 575 nm	612 - 522 THz	2,53 - 2,16 eV	-	Gelb	575 - 585 nm	522 - 513 THz	2,16 - 2,12 eV	-	Orange	585 - 650 nm	513 - 462 THz	2,12 - 1,91 eV	-	Rot	650 - 750 nm	462 - 400 THz	1,91 - 1,65 eV

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

Eine der Hauptquellen des Lichtes ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise 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 Amplitute 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 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.

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 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).

Bei organischen Farbstoffen können die delokalisierten Pi-Elektronensysteme durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert.

Chemie

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

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 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 unter freiem Himmel

Licht unter freiem Himmel hat bei Dunkelheit eine Hilfsfunktion für die terrestrische Navigation (Fußgänger, Autofahrer), als optisches Signal oder für Schmuck- und Werbezwecke. Es 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 fest gelegt. 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, oder mit verschiedenen Instrumenten durch optische Detektoren, wie fotografischem Film oder mit speziellen Strahlungsdetektoren oder Sensoren oder mittelbar durch chemische oder biologische Prozesse wie die Photosynthese oder die Photolyse oder durch physikalische Vorgänge, wie Fluoreszenz oder Photo-Lumineszenz. Sensoren enthalten meist Halbleiterdetektoren, welche Licht in elektrische Spannung umwandeln. Komplexe Sensoren (line arrays / Zeilensensoren und matrix arrays / Flächensensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen.

Siehe auch

Reflexion (Physik), Brechung (Physik), Absorption (Physik), Polarisation, Welle (Physik), Elektromagnetische Welle
Lichtquelle
Polychromatisches Licht
Diffuses Licht
Natürliches Licht
Polarisiertes Licht
Licht am Tag
Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
Polarlicht
Erstes Licht, Astronomie
Tscherenkow-Licht
Sonnenlicht
Glanzlicht
Lichtfarbe
Lichtsignal
Fördergemeinschaft Gutes Licht
Mehr Licht

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.
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)

Weblinks

Nachweise zum Thema Licht
Infoline-Lichtplanung (Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc.)
Modellvorstellungen von Licht (Universität Ulm)

Video

Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri:

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