Ausbreitung des Lichts

Als Licht werden elektromagnetische Wellen bezeichnet, die im Empfindlichkeitsbereich des menschlichen Auges liegen. Das für den Menschen sichtbare Licht besitzt eine Wellenlänge von \unit[400]{nm} (violett) bis \unit[700]{nm} (rot).

Lichtquellen

Objekte, die selbständig Licht erzeugen und aussenden, heißen selbstleuchtende Objekte oder Lichtquellen.[1] Die meisten Objekte (in der Optik meist „Gegenstände“ genannt) erzeugen selbst kein Licht, sind aber trotzdem sichtbar. Sie werfen einen Teil des auf sie fallenden Lichts zurück. Man nennt sie reflektierende oder beleuchtete Gegenstände.

Gelangt Licht von einem leuchtenden oder beleuchteten Gegenstand in unser Auge, so wird dieser sichtbar. Licht, das nicht in unser Auge fällt, ist unsichtbar (das Weltall erscheint uns deshalb schwarz).

fig-lichtquelle-sonnenstrahlen

Sonnenstrahlen als Lichtquelle unseres Universums.

SVG: Sonnenstrahlen

Beispiele:

  • Selbstleuchtende Objekte:

    Sonne, Sterne, Feuer, Glüh- und Leuchtstofflampen, Kerzen, Glühwürmchen, LEDs usw.

  • Beleuchtete Objekte:

    Erde und Mond, Planeten, Gegenstände (Satelliten, Reflektoren, Staubkörnchen usw.)

Das Licht breitet sich von der Lichtquelle – solange es auf kein Hindernis trifft – geradlinig und in alle Richtungen aus:

  • Sonnenlicht erhellt alle Himmelskörper, egal in welcher Richtung von der Sonne sie sich befinden.
  • Eine Kerze in der Mitte des Zimmers beleuchtet alle Wände sowie die Decke und den Fußboden.

Die Lichtgeschwindigkeit

In Vakuum (und näherungsweise auch in Luft) kann sich Licht mit etwa 300\,000 Kilometer je Sekunde ausbreiten („Lichtgeschwindigkeit“). In anderen lichtdurchlässigen Stoffen ist die Lichtgeschwindigkeit geringer, in Wasser kann sich Licht beispielsweise „nur“ mit etwa 225\,000 Kilometer je Sekunde ausbreiten.[2]

Werte der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen
Medium Lichtgeschwindigkeit in \unit[]{\frac{km}{s}}
Vakuum 300\,000
Luft 300\,000
Wasser 225\,000
Quarz 194\,000
Glas 190\,000
Diamant 122\,000

Könnten wir uns mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, so könnten wir die Erde (Umfang am Äquator: ca. \unit[40\,000]{km}) in einer Sekunde 7,5 mal umkreisen. Im Universum hat das Licht allerdings so große Entfernungen zurückzulegen, dass man Weglängen teilweise auch in Lichtsekunden, Lichtminuten, Lichtstunden, Lichttagen oder sogar Lichtjahren angibt. Um von der Sonne auf die Erde zu gelangen, braucht ein Lichtstrahl rund 8,3 Lichtminuten.

fig-lichtgeschwindigkeit

Ein von der Erde ausgesandter Lichtstrahl erreicht den Mond rund eine Sekunde später.

SVG: Lichtgeschwindigkeit

Licht- und Beleuchtungsstärke

Um die Helligkeit verschiedener Lichtquellen vergleichen zu können, wurde die Lichtstärke als physikalische Größe eingeführt. Erscheint eine Lichtquelle aus gleicher Entfernung heller als eine andere, so besitzt sie eine größere Lichtstärke.

Definition und Einheit:

Die Lichtstärke I_{\mathrm{\nu}} ist eine Basisgröße des internationalen Einheitensystems. Ihre Einheit ist das Candela (\unit{cd}).

Beispiele:

  • Eine Kerzenflamme hat eine Lichtstärke von etwa \unit[1]{cd}.
  • Glühlampen haben eine Lichtstärke (je nach Bauart) von \unit[15]{cd} bis \unit[150 ]{cd}.
  • Autoscheinwerfer haben eine Lichtstärke von rund \unit[50 000]{cd}.

Während die Lichtstärke I_{\mathrm{\nu}} eine Eigenschaft der Lichtquelle ist, gibt die Beleuchtungsstärke E_{\mathrm{\nu}} an, welcher Anteil des Lichts auf eine bestimmte Fläche trifft.

fig-beleuchtungsstaerke

Die Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit des Abstands von der Lichtquelle.

SVG: Beleuchtungsstärke

Da sich das Licht gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet, verteilen sich die Lichtstrahlen auf immer größere Flächen. Die Beleuchtungsstärke nimmt in gleichem Maß ab, wie die Oberfläche der mit Licht durchfluteten (Kugel-)Fläche zunimmt.

Formel und Einheit:

Die Beleuchtungsstärke E_{\nu} ist umso größer, je größer die Lichtstärke I_{\nu} der Lichtquelle ist. Gleichzeitig nimmt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit dem Abstand r von der Lichtquelle ab. Insgesamt gilt:

E_{\nu} = \frac{I_{\nu}}{r^2}

Die Beleuchtungsstärke wird in Lux (\unit{lx}) angegeben.

Je nach Tätigkeit werden unterschiedliche Beleuchtungsstärken als angenehm empfunden.

Beispiele:

  • Eine Kerzenflamme hat in \unit[1]{m} Abstand eine Beleuchtungsstärke von etwa \unit[1]{lx} aufweisen.
  • Verkehrswege sollten eine Beleuchtungsstärke von mindestens \unit[30]{lx} aufweisen.
  • Die empfohlene Beleuchtungsstärke beträgt für Wohnräume \unit[100]{lx} bis \unit[200]{lx}; in Büros sind auch Beleuchtungsstärken von \unit[500]{lx} nicht unüblich.
  • Die empfohlene Beleuchtungsstärke zum Lesen und Schreiben liegt bei \unit[200]{lx} bis \unit[300]{lx}.

Sonnenlicht kann im Sommer eine Beleuchtungsstärke von bis \unit[100\,000]{lx} hervorrufen, an einem trüben Wintertag nur etwa \unit[2000]{lx} bis \unit[4000]{lx}. Das Licht eines Vollmondes bei klarer Nacht hat lediglich eine Beleuchtungsstärke von rund \unit[0,3]{lx}.

Die Lichtdurchlässigkeit

Licht durchlässige Gegenstände gibt es auf zweierlei Arten:

  • Durchsichtige Objekte (beispielsweise Fensterglas) lassen Licht so hindurch, dass Gegenstände hinter ihnen zu erkennen sind.
  • Durchscheinende Objekte (beispielsweise Mattglas) lassen Licht so hindurch, dass Gegenstände hinter ihnen nicht zu erkennen sind.
fig-lichtdurchlaessigkeit

Eine Kerze hinter einer durchsichtigen beziehungsweise durchscheinenden Scheibe.

SVG: Lichtdurchlässigkeit

Die Lichtdurchlässigkeit eines Objekts hängt vom Material und von der Schichtdicke ab. Wasser beispielsweise ist in dünnen Schichten Licht durchlässig, in dicken nicht; in großen Meerestiefen herrscht völlige Dunkelheit.

Licht undurchlässige Gegenstände (beispielsweise Metall, Karton usw.) lassen kein Licht hindurch, sie sind undurchsichtig – vorausgesetzt, dass sie eine ausreichende Materialstärke aufweisen. Beispielsweise sind sehr dünne Papierschichten durchscheinend, obwohl Papier an sich undurchsichtig ist.

Blenden und Schatten

Durch Licht undurchlässige Gegenstände kann die Ausbreitung des Lichts begrenzt werden.

Die Blende

Eine Blende ist eine kleine, meist runde Öffnung in einem ansonsten undurchsichtigen Gegenstand. Durch eine Blende gelangt nur ein Teil des Lichts, ein „Lichtbündel“, hindurch. Dieses Lichtbündel kann zeichnerisch durch die Bündelachse und Randstrahlen dargestellt werden.

fig-blende-lichtstrahlen

Entstehung von Lichtbündeln durch eine Blende.

SVG: Blende

Der Schlagschatten

Wird ein undurchsichtiger Gegenstand von einer kleinen (punktförmigen) Lichtquelle beleuchtet, so entsteht auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite ein Schatten.

fig-schlagschatten

Entstehung eines Schlagschattens.

SVG: Schlagschatten

Kern- und Halbschatten

Wird ein undurchsichtiger Gegenstand von zwei punktförmigen Lichtquellen beleuchtet, so bilden sich zwei Schattenzonen aus: Ein Kernschatten und ein Halbschatten. Eine ausgedehnte Lichtquelle erzeugt hinter einem Licht undurchlässigen Gegenstand ebenfalls einen Kern- und einen Halbschatten.[3]

fig-kernschatten-halbschatten

Entstehung von Kern- und Halbschatten.

SVG: Kernschatten - Halbschatten

Bei einer „diffusen“ Beleuchtung kommt das Licht aus vielen Richtungen. Die einzelnen Schattenbereiche heben sich dabei gegenseitig auf; es ist kein Schatten erkennbar.

Da manche Menschen (insbesondere kleine Kinder) schreckhaft auf Schatten reagieren, wird in Wohn- und Aufenthaltsräumen häufig eine indirekte Beleuchtung eingesetzt. Diese wird mittels diffuser Reflexion erreicht, indem eine helle, matte Oberfläche von einer (verdeckten) Lampe angestrahlt wird.

Anmerkungen:

[1]Licht entsteht grundsätzlich durch die Anregung von Atomen mittels Energie. Die zugeführte Energie kann thermisch oder elektrisch sein; im ersten Fall spricht man „warmen“, im zweiten von „kalten Lichtquellen“.
[2]Die in der obigen Tabelle Lichtgeschwindigkeiten angegebenen Werte sind Durchschnittswerte für sichtbares Licht. Tatsächlich hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Medium von seiner Frequenz ab (siehe Lichtdispersion).
[3]Ein Beobachter, der sich im Halbschatten befindet, sieht stets nur einen Teil der Lichtquelle; der Rest ist durch den Schatten werfenden Gegenstand verdeckt.

Hinweis

Zu diesem Abschnitt gibt es Experimente und Übungsaufgaben.