Licht als elektromagnetische Welle

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 – das sichtbare Licht – also Wellenlängen zwischen ca. 380 und 780 nm. Dies entspricht Frequenzen von ca. 385 bis 790 THz. Es ist eine Transversalwelle, wobei die Amplitude durch den Vektor des elektrischen Feldes oder des Magnetfeldes gegeben ist. Die Ausbreitungsrichtung verläuft senkrecht dazu. Die Richtung des ${\displaystyle {\vec {E}}}$-Feld-Vektors oder ${\displaystyle {\vec {B}}}$-Feld-Vektors wird Polarisationsrichtung genannt. Bei unpolarisiertem Licht setzt sich das Strahlungsfeld aus Wellen aller Polarisationsrichtungen zusammen. Wie alle elektromagnetischen Wellen breitet sich auch sichtbares Licht im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit von ${\displaystyle c\,=\,299\,792\,458\ {\frac {\text{m}}{\text{s}}}}$ aus.

Die Wellengleichung dieser elektromagnetischen Welle kann aus den Maxwell-Gleichungen hergeleitet werden. Daraus ergibt sich ein einfacher Zusammenhang zwischen der Lichtgeschwindigkeit, der magnetischen Feldkonstante ${\displaystyle \mu _{0}}$ und der elektrischen Feldkonstante ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$:

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}}$

im Vakuum,

${\displaystyle c_{\text{Medium}}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\mu _{r}\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}}}}}$

im Medium.

Offensichtlich hängt die Lichtgeschwindigkeit – genauer: die Phasengeschwindigkeit des Lichts – in Medien von deren Materialeigenschaften ab. Diese können im Brechungsindex ${\displaystyle n}$ zusammengefasst werden. Im Allgemeinen ist er frequenzabhängig, was als Dispersion bezeichnet wird. Darauf beruht unter anderem die Fähigkeit eines Prismas, 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).

Strahlenoptik

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 der Wellenvektor, dessen Richtung mit der Richtung des Lichtstrahls übereinstimmt. Die Strahlenoptik ist besonders gut geeignet, Phänomene wie Licht und Schatten, Reflexion oder Brechung 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 der Astronomie beobachteten Ablenkung des Lichts durch schwere Massen (Gravitationslinseneffekt).
• Lichtstrahlen können einander durchdringen, ohne sich gegenseitig dabei zu beeinflussen.
• Der Lichtweg ist umkehrbar. Das bedeutet, dass jeder Strahlengang auch dann allen optischen Gesetzen genügen würde, wenn man die Ausbreitungsrichtung des Lichts umkehren würde.

Wellenoptik

Der Wellenoptik liegt das Prinzip von Huygens und Fresnel zugrunde.

Jeder Punkt einer Wellenfront ist der Ausgangspunkt einer Elementarwelle. Eine Wellenfront ergibt sich als Überlagerung dieser Elementarwellen.

Mit Elementarwelle 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 eine Normale zur Wellenfront. Mit der Wellenoptik lassen sich alle Phänomene der Beugung und Interferenz 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.

Photonen

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 elementares Boson mit einer Masse von 0, das sich stets mit der Lichtgeschwindigkeit ${\displaystyle c}$ bewegt.

Es trägt eine Energie von

${\displaystyle E=h\nu }$

Dabei ist ${\displaystyle \nu }$ die Frequenz des Lichts und ${\displaystyle h}$ das Plancksche Wirkungsquantum mit ${\displaystyle h=6{,}626\,070\,15\cdot 10^{-34}\,{\text{Js}}}$.

Das Photon hat einen Impuls von

${\displaystyle p={\frac {h}{\lambda }},}$

wobei ${\displaystyle \lambda }$ die Wellenlänge des Lichts ist.

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 nicht a priori vorhersagen. Man kann nur Aussagen über die Wahrscheinlichkeit machen, mit der ein Photon an einer bestimmten Stelle auftreffen wird. Diese Wahrscheinlichkeitsdichte ist durch das Betragsquadrat der Amplitude der Lichtwelle gegeben.

Historisch wurde die quantenmechanische Beschreibung des Lichts notwendig, weil sich einige Phänomene mit der rein klassischen Elektrodynamik nicht erklären ließen:

• Stellt man sich eine thermische Lichtquelle (im Idealfall ein Schwarzer 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 beim Photoeffekt freigesetzt werden, proportional zur Intensität der absorbierten Strahlung ist. Tatsächlich ist sie aber (abgesehen von einem konstanten Summanden) proportional zur Frequenz der Strahlung. Dieser Zusammenhang lässt sich klassisch nicht verstehen.
• Empfindliche Detektoren (beispielsweise Photomultiplier) empfangen bei schwacher Einstrahlung nicht etwa eine konstant gleichmäßig niedrige Intensität, sondern einzelne, sowohl räumlich als auch zeitlich sehr eng begrenzte Signale.
• Das Spektrum von Röntgenbremsstrahlung hat eine kurzwellige Grenze, die direkt mit der Energie der Elektronen zusammenhängt, die für ihre Erzeugung verwendet wurden.

Wechselwirkung mit Materie

• Reflexion
• Streuung
• Absorption
• Brechung
• Doppelbrechung
• Optische Aktivität
• Photoeffekt

Neben den schon weiter oben in diesem Artikel beschriebenen Phänomenen

• Brechung
• Reflexion

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 höheres Energieniveau 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 von spontaner Emission, von Fluoreszenz oder – wenn der Vorgang zeitlich deutlich verzögert erfolgt – von Phosphoreszenz.
• Doppelbrechung: Manche Materialien spalten einen Lichtstrahl in zwei Strahlen unterschiedlicher Polarisation auf.
• Optische Aktivität: Bestimmte Medien können die Polarisationsebene von polarisiertem Licht drehen.
• Photoeffekt: Die Photonen lösen Elektronen aus dem bestrahlten Körper.
• 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 zwischen Compton-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).

Lichtquellen

Prinzipiell unterscheidet man zwischen thermischen und nicht-thermischen Strahlern. Erstere beziehen die Energie für die Strahlungsemission aus der thermischen Bewegung ihrer Teilchen. Beispiele sind Kerzenflammen, glühende Körper (Glühdraht einer Glühlampe) und die Sonne. Das Spektrum eines thermischen Strahlers ist kontinuierlich, d. h., es treten alle Wellenlängen auf, wobei die spektralen Anteile nach dem Planckschen Strahlungsgesetz ausschließlich von der Temperatur abhängen, jedoch, abgesehen vom spektralen Emissionsgrad, 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 bei Gasentladungsröhren auf, Bandenspektren bei Leuchtdioden, Polarlichtern oder Leuchtkäfern. 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 der Laser ein. Laserlicht ist nahezu monochromatisch (es besteht fast nur aus einer Wellenlänge), mehr oder weniger kohärent (es besteht eine feste Phasenbeziehung zwischen mehreren Wellenzügen) und oft polarisiert.

Die Tscherenkow-Strahlung entsteht durch die Bewegung von geladenen Teilchen durch ein durchsichtiges Dielektrikum, wenn die Teilchengeschwindigkeit höher als die Lichtgeschwindigkeit im Dielektrikum ist. Sie ist das Analogon zum Überschallknall und kann zum Beispiel in Schwimmbadreaktoren und Abklingbecken von Kernkraftwerken beobachtet werden.

Lichtempfänger

• 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.
• Der fotografische Film spielt 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 durch Bildsensoren verdrängt.
• Optische Strahlungsdetektoren nutzen meist den äußeren (Photozelle, Vidicon, Bildverstärker, Photomultiplier) und inneren (Halbleiter­detektoren wie Photodiode, Fototransistor, Fotowiderstand) photoelektrischen Effekt. Komplexe Sensoren (Zeilensensoren und Bildsensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen, arbeiten ebenfalls mit Halbleiterdetektoren. Farbsensoren arbeiten mit mehreren, hinter verschiedenen Filtern liegenden Photodetektoren.
• Durch Fluoreszenz kann Ultraviolett und auch Infrarot (nach einer Zwei-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 der Astronomie verwendeten Bolometer zur Vermessung der Strahlungsleistung astronomischer Lichtquellen sowie thermische Leistungsmesser für Laserstrahlen hoher Leistung.

Licht als Ökofaktor

Licht stellt für Pflanzen – neben der Verfügbarkeit von Wasser – den wichtigsten Ökofaktor dar, weil es Energie für die Photosynthese liefert. Die von den Chlorophyll-Molekülen in den Chloroplasten absorbierte Lichtenergie wird genutzt, um Wassermoleküle zu spalten (Photolyse) und so Reduktionsmittel für die Photosynthese herzustellen. Diese werden in einem zweiten Schritt verwendet, um Kohlenstoffdioxid schrittweise schließlich zu Glucose zu reduzieren, woraus unter anderem Stärke aufgebaut wird. Der bei der Fotolyse anfallende Sauerstoff wird als Reststoff an die Atmosphäre abgegeben. Die Summenreaktionsgleichung der Photosynthese lautet:

${\displaystyle \mathrm {6\;CO_{2}+6\;H_{2}O\quad {\xrightarrow {h\nu }}\;C_{6}H_{12}O_{6}+6\;O_{2}} }$

Den Aufbau von organischen Verbindungen aus Kohlenstoffdioxid bezeichnet man als Kohlenstoffdioxid-Assimilation. Organismen, die mithilfe von Licht dazu in der Lage sind, nennt man photo-autotroph. Neben den Gefäßpflanzen gehören auch Moose, Algen und einige Bakterien dazu, beispielsweise Cyanobakterien und Purpurbakterien. Alle heterotrophen 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“ des Waldes und der damit verbundenen Spezialisierung von Licht- und Schattenpflanzen oder in der jahrzeitlichen Abfolge verschiedener Aspekte bemerkbar. In Gewässern dient nur die lichtdurchflutete oberste Schicht, die Nährschicht, der Bildung von Biomasse und Sauerstoff, hauptsächlich durch Phytoplankton. 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.

Der Licht- oder Sehsinn ist für viele Tiere einer der wichtigsten Sinne. Er dient zur Orientierung im Raum, zur Steuerung des Tag-Nacht-Rhythmus, zum Erkennen von Gefahren, zum Aufspüren von Beute und zur Kommunikation mit Artgenossen. Daher haben sich im Laufe der Evolution in den verschiedensten Taxa die unterschiedlichsten Lichtsinnesorgane entwickelt. Diese reichen von den einfachen Augenflecken von Euglena über einfache Pigmentfelder bis zu den komplex aufgebauten Facettenaugen und Linsenaugen. 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 sind Tarnung und Nachtaktivität. Erstaunlicherweise haben dahingegen viele Lebewesen selbst die Fähigkeit entwickelt zu leuchten. Das bekannteste Beispiel ist der Leuchtkäfer. Man findet dieses Phänomen der Biolumineszenz aber auch bei Tiefseefischen, 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.

Licht als Sinnesreiz

Das Licht, das ins menschliche Auge fällt, wird durch den Brechapparat (bestehend aus Hornhaut, vorderer und hinterer Augenkammer, Linse und Glaskörper) auf die Netzhaut projiziert. Dort entsteht ein reelles, auf dem Kopf stehendes Bild (vergleichbar dem Vorgang in einer Fotokamera). Dadurch werden die in der Netzhaut befindlichen Fotorezeptoren (= Lichtsinneszellen) gereizt, die den Reiz in ein elektrisches Signal wandeln. Dieses Signal wird über den Sehnerv, in den die einzelnen Nervenstränge der Netzhaut münden, zum Gehirn geleitet. Dort werden die auf dem Kopf stehenden Bilder unserer Umwelt dann in Echtzeit „gerade gerückt.“

Lichtintensität wird als Helligkeit empfunden. Das Auge kann sich durch verschiedene Mechanismen an die – viele Zehnerpotenzen umfassenden – Intensitäten anpassen (siehe Adaption). Die empfundene Helligkeit hängt dabei mit der tatsächlichen Intensität über das Weber-Fechner-Gesetz zusammen.

Die spektrale Zusammensetzung des Lichtreizes wird als Farbe 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.

Wellenlängenbereiche der Spektralfarben

	(etwa-)Farbton	Wellenlänge ${\displaystyle \lambda }$ in nm	Wellenfrequenz ${\displaystyle \nu }$ in THz	Energie E pro Photon in eV	Wellenzahl  ${\displaystyle {\tilde {\nu }}}$ in 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

Es ist zu beachten, dass diese Tabelle nur für monochromatisches (einfarbiges) Licht gilt. Mischfarben rufen unter Umständen andere Farbeindrücke hervor. Beispielsweise erscheint dem menschlichen Sehsinn eine Mischfarbe aus jeweils monochromatischem grünen und roten Licht gelb, während eine Mischung aus monochromatischem roten und blauen Licht als Magenta erscheint. Im Regenbogen, wo das Sonnenlicht in seine monochromatischen spektralen Bestandteile zerlegt ist, kommt Magenta als Farbe nicht vor im Gegensatz zu Gelb. Dies liegt daran, dass die Grundfarben Blau und Rot im Regenbogen weit auseinander liegen, weshalb eine Mischung von Magenta auf natürlichem Wege nicht zustande kommt. Im Gegensatz dazu liegen Grün und Rot direkt nebeneinander, weswegen unser Auge denkt, dass es die Farbe Gelb sieht. Die Farbe Braun, die allgemein für eine Mischfarbe gehalten wird, kann dagegen durch einfarbiges Orange erzeugt werden, wenn dessen Intensität im Vergleich zur Umgebung schwach ist.

Die Netzhaut des Auges ist mit verschiedenen Sinneszellen ausgestattet: Die Stäbchen 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. Die Zapfen 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 das Farbensehen.

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). Der Ligand Retinal macht dabei eine Isomerisierung durch, die dazu führt, dass das Rhodopsin zerfällt und die Signalkaskade der Phototransduktion in Gang setzt. Die dadurch verursachte Hyperpolarisation 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, die melanopsinhaltigen Ganglienzellen. Diese Rezeptoren reagieren besonders empfindlich auf blaues Licht und sind an der Steuerung der inneren Uhr beteiligt. Ihre Entdeckung Anfang der Jahrtausendwende forcierte die Entwicklung von tageslichtähnlichen Beleuchtungskonzepten für Innenräume, wie bspw. das Human Centric Lighting.

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 des Himmelblaus. Manche Schlangen wiederum können die ebenfalls für uns unsichtbaren IR-Strahlen mit ihren Grubenorganen wahrnehmen.