Licht ist etwas Besonderes

Licht ist eines der faszinierendsten Phänomene in der Natur, das eine wichtige Rolle in unserem Verständnis des Universums spielt. Wie entsteht Licht und wie breitet es sich aus? Wir tauchen in die Welt des Lichts ein und enthüllen seine Geheimnisse.

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Lichtquellen

Sonnenaufgang über einem Bergtal
Die Sonne ist wohl die bekannteste Lichtquelle.
Blitz am Nachthimmel
Eine natürliche Lichterscheinung ist der Blitz.
Lagerfeuer
Feuer ist eine Leuchterscheinung, die immer wieder fasziniert.
Brennende Kerzen
Kerzenlicht sorgt für besondere Stimmung.
Straßenbeleuchtung
Ohne Straßenbeleuchtung würde man sich in der Nacht nicht sicher fühlen.
Wohnzimmerlampe
Ohne Beleuchtungskörper im Zimmer kann man sich ein Leben gar nicht mehr vorstellen.

Bei den oben dargestellten Lichtquellen tritt immer auch Wärme auf. Eine Möglichkeit, Licht zu erzeugen, besteht darin, einen Körper zu erhitzen.

Bei einer Herdplatte sieht man das sehr gut, denn wenn sie heiß wird, dann glüht sie auch im roten Bereich.

Herdplatte

In einer Schmiede wird Eisen so stark erhitzt, dass es gelblich leuchtet.

glühendes Eisen

Legt man an einen Draht elektrische Spannung an, dann erwärmt der elektrische Strom wegen des elektrischen Widerstandes den Draht. Ist die elektrische Stromstärke groß, kann der Draht sogar zum Glühen gebracht werden.

Glühbirne

Bei den LED-Lampen entsteht die Farbe des Lichts nicht durch Erhitzen, sondern dadurch, dass Licht mit unterschiedlicher Energie abgegeben wird. Blau entsteht bei hoher Energieabgabe und rotes Licht bei niedriger.

Was ist Licht?

Mit dem Licht, dem Sehen und einfachen optischen Anordnungen haben sich schon Gelehrte in der Antike beschäftigt. Allerdings konnten diese Forscher, wie Euklid, Ptolemäus oder Aristoteles, keine Antwort auf die Frage finden, was Licht ist.

Der Astronom Johannes Kepler, der von 1571 bis 1630 lebte, beschäftigte sich unter anderem mit dem Sehen, den Farben und der Natur des Lichtes. Besonders die Frage nach der Natur der Farben führte zu unterschiedlichen Vorstellungen über die Natur des Lichts. Im 17. Jahrhundert waren es zwei Wissenschafter, die sich mit der Natur des Lichts besonders auseinandersetzten: Isaac Newton (1643-1727) und Christiaan Huygens (1629-1695).

Newton glaubte, dass Licht aus einem Strom kleinster Teilchen, die er Korpuskeln nannte, besteht.

Im Unterschied dazu formulierte der niederländische Naturforscher Huygens, dass sich Licht als Welle darstellen lässt.

Mit diesen beiden, doch sehr widersprüchlichen, Theorien, konnte man Lichterscheinungen wie Regenbogen, Spiegelung und Brechung erklären.

Regenbogen
Regenbogen
Spiegelung Bergsee
Spiegelung
Doppelspat
Brechung am Doppelspat

Im Jahr 1905 war es Albert Einstein (1879-1955), der Licht als etwas ganz Besonderes bezeichnete, denn man kann manche Phänomene, wie etwa die Lichtbrechung, nur dadurch erklären, dass Licht ein Wellenvorgang sein muss und andere Phänomene, etwa die Tatsache, dass Licht aus manchen Materialien Elektronen herauslösen kann, lassen sich nur dann verstehen, wenn man annimmt, dass Licht aus Teilchen besteht. Dieses „Zwitterwesen“ des Lichts nennt man den Dualismus des Lichts:

Licht ist Welle und Teilchen.

Die Lichtteilchen kann man sich als kleine Energiepakete vorstellen, die man Photonen nennt. Wie Einstein zeigte, kann man diesen Energiepaketen auch Masse zuordnen. Dies besagt unter anderem die berühmte Einsteinformel $$ E = m \cdot c^2 $$.

Dieser Dualismus des Lichts bereitet vielen Menschen beim Verstehen Schwierigkeiten. Man kann aber alle Phänomene des Lichts nur dadurch lückenlos erklären, wenn man Licht diese sonderbaren Eigenschaften zuordnet. Der Dualismus gilt übrigens nicht nur für Licht sondern für alle elektromagnetischen Wellen und auch für Teilchen.

Licht – ein elektromagnetischer Vorgang

Die Wirkung eines Magneten ist wohl jedem bekannt. Nähert man einen Magneten einem Eisenstab, dann wird dieser angezogen. Der Magnet verändert also die Umgebung so, dass Gegenstände aus Eisen angezogen werden. Man sagt auch, dass um den Magneten ein magnetisches Kraftfeld entsteht.

Auch elektrische Ladungen verändern den Raum so, dass andere elektrische Ladungen entweder angezogen oder abgestoßen werden. Um jede elektrische Ladung entsteht ein elektrisches Feld.

Bei einer elektromagnetischen Welle sind elektrische und magnetische Felder miteinander gekoppelt, sie gehen sozusagen „Hand-in-Hand“ durch den Raum.

Elektromagnetische Welle
elektromagnetische Welle

Sieht man sich Licht an, das von der Sonne kommt, dann stellt man fest, dass es aus vielen Wellenlängen zusammengesetzt ist.

Vom gesamten elektromagnetischen Spektrum, das die Sonne aussendet, ist nur ein kleiner Teil sichtbares Licht.

Elektromagnetisches Spektrum
elektromagnetisches Spektrum

Mit elektromagnetischen Wellen kann man auch Fernseh- und Radioprogramme drahtlos übertragen. Auch für das Senden und Empfangen von Handydaten bzw. für die Mobiltelefonie benötigt man elektromagnetische Wellen.

Handy-Telefonieren
Damit man am Handy surfen und telefonieren kann ...
Handy Turm mit 5G Signal
... sind Handymasten notwendig.

Wie macht man Licht sichtbar?

Wie kann man einen Lichtstrahl sichtbar machen?

Ein Lichtstrahl wird erst sichtbar, wenn das Licht durch kleine Teilchen in der Luft (z. B. feine Wassertropfen) sichtbar wird.

Die folgenden Aufnahmen zeigen den Laserlichtstrahl in Luft einmal ohne und einmal mit Wassertröpfchen in der Luft.

Der Laserstrahl ist in der reinen Luft nicht sichtbar.
Auch, wenn es finster ist, ist der Laserstrahl nicht sichtbar. Man sieht nur den Lichtpunkt an der Wand.
Wenn man mit einem Zerstäuber Wassertröpfchen einbringt, dann wird der Laserstrahl sichtbar. Man kann auch Staubteilchen in den Laserstrahl bringen, damit er sichtbar wird.

So wird ein Lichtstrahl sichtbar

Man kann einen Lichtstrahl dadurch sichtbar machen, dass man kleine Teilchen, wie Staubkörner, Wassertropfen in den Lichtweg einbringt. An diesen Teilchen streut sich das Licht und wird dadurch sichtbar.

Im Vakuum kann man keine Lichtstrahlen sehen.

Streuung an Oberflächen

Zu solchen Streuphänomenen kommt es auch auf Oberflächen.

Warum sieht man Lichtschein auf einer Oberfläche?

Info für Lehrer*innen
Man sieht den Lichtpunkt auf einer angestrahlten Fläche wegen der mehr oder weniger kleinen Unebenheiten dieser Fläche. Das ist auch dann der Fall, wenn man den Lichtstrahl selbst in reiner Luft nicht sieht.

Wann sieht man Gegenstände?

Eine Lichtquelle, zum Beispiel die Sonne, sieht man deshalb, weil sie selbst Licht aussendet. Was muss geschehen, damit man Gegenstände sieht, die selbst nicht Licht aussenden? Mit dieser Frage hat man sich bereits im Altertum beschäftigt.

Der Naturforscher Pythagoras, der von 570-480 v. Chr. lebte, nahm an, dass man einen Gegenstand dadurch sieht, dass Lichtstrahlen vom Auge ausgehen und auf den Gegenstand treffen.

Annahme Pythagoras

Diese Vorstellung findet sich noch heute in manchen Redewendungen:

  • einen Blick auf etwas werfen
  • einen Blick austauschen
  • schau auf die Straße
  • in einen Kasten schauen
  • genau hinsehen
  • ein stechender Blick

Wäre das richtig, dann müsste man auch im Dunkeln sehen können. Weil das nicht der Fall ist, kam Ptolemäus (100-160 n. Chr.) auf die Idee, dass es zwei Arten von Strahlen geben muss: Zusätzlich zu den Strahlen, die vom Auge ausgehen, müssen auch noch Strahlen von einer Lichtquelle den Gegenstand beleuchten.

Annahme Ptolemäus

Erst im 17. Jahrhundert kam man dann zur heute gültigen Auffassung: Die Lichtquelle ist der Sender von Lichtstrahlen und das Auge der Empfänger. Als Quelle des Lichts können aber auch Gegenstände auftreten, die Licht reflektieren.

heute gültige Auffassung

Wann kann man Dinge sehen?

Diskutiert gemeinsam:
  1. Warum sieht man den Mond?
  2. Welche weiteren Beispiele fallen euch ein?
  3. Welche 2 grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es, um Dinge zu sehen?
Info für Lehrer*innen
Der Mond reflektiert das Sonnenlicht.
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