A – Was ist Licht?

Licht scheint so alltagsnah und vertraut – und doch ist es nicht trivial zu beschreiben. Da Licht von unseren Augen wahrgenommen werden kann, ermöglicht es uns, etwas zu sehen. Licht wird von leuchtenden Gegenständen oder von beleuchteten Gegenständen ausgesandt. Es enthält Informationen, die wir in unserer Wahrnehmung als Farben und Oberflächenstrukturen der jeweiligen Gegenstände deuten.

Licht ist eine Energieform und gehört zur Kategorie der Strahlungsenergie. Es kann sich ohne Hilfe von Materie ausbreiten. Um abstrakte Erscheinungen wie Licht näher zu beschreiben, werden in der Physik Modelle verwendet. Allerdings zeigt Licht sehr verschiedene Eigenschaften, die wir nicht alle mit einem anschaulichen Modell gleichzeitig erfassen können. Beispiele für Phänomene, die mit den verschiedenen Eigenschaften von Licht zusammenhängen, sind in Abbildung A.1 dargestellt.

Diese Phänomene lassen sich mit keinem Modell alle gleichzeitig beschreiben. Wir verwenden daher zur Beschreibung von Licht mehrere Modelle und suchen je nach zu beschreibendem Phänomen das passende aus.

Die auch für den Schulunterricht üblichen Modelle sind:

Wir betrachten diese Modelle nacheinander.

A.1 Licht als Welle

Wenn wir die schillernden Farben auf einem Federkleid oder Schmetterlingsflügel betrachten oder die Regenbogenerscheinung auf einer CD (siehe Abbildung A.1), wenn wir mit einem Laserpointer durch eine feine Vogelfeder leuchten und dadurch statt eines einzelnen Laserpunktes ein Punktemuster erzeugen (siehe Abbildung A.2), dann haben wir es mit Phänomenen zu tun, die sich mit der Vorstellung beschreiben lassen, dass es sich bei Licht um eine (elektromagnetische) Welle handelt. Dazu müssen wir näher verstehen, was eine elektromagnetische Welle ausmacht und welche Eigenschaften von Licht sich daraus ergeben, die zu den genannten Phänomenen führen.

 A.1.1 Licht als elektromagnetische Welle (siehe auch Abschnitt zu Wärme):

Eine solche Welle besteht offensichtlich aus zwei Anteilen: aus einem magnetischen und einem elektrischen Anteil (siehe Abbildung A.3).

Vertiefung: Elektromagnetische Wechselwirkung 

1820 beobachtete Oersted, dass eine Kompassnadel durch einen elektrischen Strom abgelenkt werden kann und schloss nach weiteren Experimenten, dass ein elektrischer Strom auch immer eine magnetische Wirkung mit sich bringt. Faraday, Maxwell und andere erforschten und beschrieben die Zusammenhänge zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen weiter. Heute wissen wir, dass sich bewegende elektrische Ladungen immer sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld erzeugen. Diese Felder breiten sich von der Quelle aus im Raum aus. (Näheres dazu in Bezug auf die elektromagnetische Betrachtung im Themengebiet Elektrischer Strom.)

Das machen wir uns beispielsweise bei Radiowellen zu Nutze: Zur Aussendung von Radiowellen (elektromagnetische Wellen mit großer Wellenlänge und niedriger Energie) verwenden wir eine Antenne aus Metall. In dieser Antenne bewegen sich Elektronen, also elektrische Ladungen, die ein äußeres elektromagnetisches Feld induzieren. Man sagt auch: von der Antenne breiten sich elektromagnetische (Freiraum-)Wellen im Raum aus. Gelangen diese elektromagnetischen Wellen zu einer Empfängerantenne, werden in dieser Antenne durch die empfangene Welle (das ankommende Feld) die Elektronen zu Bewegungen angeregt. Wir haben wieder ein elektrisches Signal, das vom Radiogerät in Töne umgesetzt wird (siehe Themengebiet Schall für elektroakustische Wandler).

Wie sich elektrische und magnetische Felder wechselseitig induzieren, erkennt man im folgenden Video.

Achtung: Man betrachtet dabei die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle entlang der x-Achse. Wie stark das Feld an einem Ort der x-Achse jeweils ist, wird durch die Amplitude (also die Auslenkung oder „Höhe“ der Welle) über dem jeweiligen Ort angezeigt. Betrachten Sie die zugehörige Animation im Video im Nullpunkt des Koordinatensystems:

>>>  Das magnetische Feld wird durch eine Änderung des elektrischen Feldes induziert und umgekehrt. Wenn das elektrische Feld also stärker wird, nimmt auch das magnetische an Stärke zu. Schwächt sich das elektrische ab, wird auch das magnetische Feld schwächer.

>>>  Die beiden Felder sind zueinander orthogonal Das bedeutet, wenn sich das elektrisches Feld in der vertikalen Richtung ausbreitet, dann breitet sich das magnetische Feld orthogonal hierzu in der horizontalen Richtung aus. Das stellte auch Oersted in seinem Versuch fest: Eine Kompassnadel richtet sich quer zu einem stromdurchflossenen Draht aus (siehe auch Themengebiet Elektrischer Strom).

A.1.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit:

Eine elektromagnetische Welle breitet sich sowohl in Materie als auch im Vakuum aus. Allerdings beeinflusst das Ausbreitungsmedium die Geschwindigkeit, mit der die Welle vorankommt: In Medium breiten sich elektromagnetische Wellen mit ca. 300.000 km/s aus („Lichtgeschwindigkeit“ c). In Materie kann diese Geschwindigkeit deutlich reduziert sein, beispielsweise in Glas oder Wasser nur mit ca. 200.000 km/s (siehe Brechungsindex in Abschnitt A.2 zum Modell Licht als Strahl).

A.1.3 Schwingungsgeschwindigkeit – Frequenz:

Elektromagnetische Wellen können sich darin unterscheiden, wie schnell sich die elektrischen und magnetischen Felder an einem Ort verändern (schwingen). (Nicht zu verwechseln mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit c, s.o.). Die Geschwindigkeit dieser Schwingung wird als Frequenz f angegeben. Abbildung A.4 zeigt eine Welle (der Einfachheit halber ist hier nur das elektrische Feld gezeichnet) mit einer hohen Frequenz (blau) und eine Welle einer niedrigen Frequenz (rot). Eine Frequenz wird mit der Einheit Hertz (Hz) angegeben.

Eine Frequenz von 50Hz bedeutet beispielsweise, dass das Feld an einem Ort in einer Sekunde 50 komplette Schwingung (Periode) durchführt. Eine einzelne Schwingung dauert dann entsprechend 1/50Hz = 0,02s (siehe blau gezeichnete Welle).

Man könnte ebenso formulieren, dass die rot gezeichnete Welle in Abbildung A.4 eine längere Wellenlänge besitzt als die blau eingezeichnete Welle. Bei der Ausbreitung im Raum nimmt die rote Welle im Raum einen größere Länge für eine komplette Schwingung ein als die blaue.

Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit hängen bei Wellen allgemein in einer einfachen Gleichung zusammen:

(Zu Frequenzen, Wellenlängen und Ausbreitungsgeschwindigkeit siehe auch Themengebiet Schall.)

A.1.4 Arten der elektromagnetischen Strahlung:

Elektromagnetische Wellen können sich also in ihrer Frequenz, bzw. Wellenlänge unterscheiden. Trägt man alle möglichen elektromagnetischen Wellen nach ihrer Frequenz, bzw. Wellenlänge auf, dann entsteht das sogenannte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Innerhalb dieses Spektrums fassen wir bestimmte Abschnitte zu verschiedenen Arten elektromagnetischer Strahlung zusammen (siehe Abbildung A.5).

Ein zweiter mathematischer Zusammenhang komplettiert die charakteristischen Parameter in Bezug auf elektromagnetische Strahlung (und wird nachfolgend für das Modell von Licht als Teilchen in Abschnitt A.3 noch wichtig). Elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Frequenz, bzw. Wellenlänge kann auch eine bestimmte Energie E zugewiesen werden:

In Abbildung A.5 sind elektromagnetische Wellen von links nach rechts nach zunehmender Wellenlänge und abnehmender Energie, bzw. Frequenz sortiert.

A.1.5 Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums:

Unsere Augen enthalten Rezeptoren (sogenannte Zapfen und Stäbchen, siehe Abbildung A.6), die elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Bereich des Spektrums detektieren können. Diesen Bereich nennen wir daher den „sichtbaren Bereich“ oder auch das „sichtbare Licht“. (Wobei letzteres ein wenig gedoppelt ist, da der Begriff „Licht“ sich im engen Sinne nur auf den für uns sichtbaren Bereich bezieht und wir daher den Rest des Spektrums nicht als Licht bezeichnen.) Einige Tierarten verfügen über Rezeptoren, die auch elektromagnetische Strahlung außerhalb dieses für uns wahrnehmbaren Bereiches detektieren können (im UV- und IR-Bereich, siehe hierzu Abbildung A.5 und Themenbereich Licht & Farbe).

 „Beugungseffekte“ aufgrund der Wellennatur von Licht: Phänomene, die mit der Wellennatur von Licht zu erklären sind, begegnen uns im Alltag weniger oft als solche, zu denen wir das Strahl-Modell heranziehen können. Das liegt daran, dass für diese sogenannten „Beugungseffekte“ sehr wohlgeordnete Verhältnisse vorliegen müssen: Die Wellennatur von Licht zeigt sich bei sehr feinen und geordneten Verhältnissen und Strukturen von Licht und / oder Oberflächen. Am besten eignen sich als Lichtquellen Laserpointer, die sehr geordnetes Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden. Aber auch das eher chaotische Sonnenlicht, dass sich aus Licht ganz verschiedener Wellenlängen und verschieden langen Wellenpaketen zusammensetzt (siehe Themengebiet Licht & Farbe) bringt Phänomene der Beugung hervor. Wir nehmen sie als schillernde Farbeffekte oder auch regenbogenfarbene Erscheinungen, wenn das Licht auf sehr wohlstrukturierte Oberflächen trifft. In der Natur finden sich einige solcher faszinierenden wohlgeordneten und feinen Oberflächenstrukturen – beispielsweise bei der Oberflächenstruktur von Schmetterlingsflügeln oder auch Vogelfedern. Auch die Farbeffekte auf CDs hängen hiermit zusammen (sehr feine Rillen in gleichmäßigem Abstand).

(Hinweis: Die Erscheinung eines tatsächlichen Regenbogens hängt nicht mit der Beugung, sondern mit der Brechung von Licht an kleinen Wassertropfen zusammen, siehe Themengebiet Licht & Farbe.)

Vertiefung: Wir nennen diese Effekte „Beugungseffekte“, weil das Licht an den sehr feinen Strukturen der Oberflächen in Bereiche hineingebeugt wird, in die es aus der Betrachtung von Lichtstrahlen heraus gar nicht gelangen könnte. In Abbildung A.7 ist die Elektronenmikroskopaufnahme eines Schmetterlingsflügels gezeigt. Leuchtet man hier mit dem sehr geordneten Licht eines Laserpointer hindurch, dann werden Teile der ursprünglichen Wellenfront hindurchgelassen, während andere ausgeblendet werden. Dadurch entstehen hinter dem Gitter (hier für zwei kleine Spalte dargestellt) kugelförmige Wellen, die das Licht nun also auch in den zuvor vom Licht nicht erreichten Raum hinein“beugen“. Die einzelnen Kugelwellen hinter dem Gitter überlagern sich. Dies nennt man Interferenz. Dabei kommt es zu einer Verstärkung, wenn zwei Wellenberge oder Wellentäler aufeinandertreffen. Trifft hingegen Wellenberg auf Wellental, kommt es zu einer Auslöschung. Am grau eingezeichneten Schirm entsteht auf diese Weise nicht das erwartete Abbild der beiden Spalte in Form von zwei Lichtpunkten, sondern ein Muster von vielen Punkten, die nach außen hin in ihrer Helligkeit abnehmen.


Wenn wir eine geordnete Lichtquelle wie einen Laserpointer verwenden, erhalten wir hinter einer feingeordneten Struktur ein solches Punktemuster. Verwenden wiur ungeordnetere Lichtquellen wir die Sonne, treten schillernde Farbeffekte auf.

 Eine Animation zur Beugung am Doppelspalt findet sich hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Licht#/media/Datei:Doubleslit3Dspectrum.gif

Kurz & knapp: Licht als Welle

Licht ist der Teil der Strahlung des elektromagnetischen Spektrums, den wir mit unseren Augen wahrnehmen können.

Elektromagnetische Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt im Vakuum 300.000 km/s. In Materie breitet sich elektromagnetische Strahlung langsamer aus als im Vakuum.

Sie lässt sich charakterisieren durch die Frequenz, die Wellenlänge und die Lichtgeschwindigkeit, die folgendermaßen miteinander zusammenhängen:


A.2 Licht als Strahl

Ein einfacheres Modell als das Wellenmodell ist das von Licht als „Strahl“. Mit diesem Modell lassen sich viele Alltagsphänomene der einfachen Ausbreitung von Licht und seiner Interaktion mit Oberflächen erklären. Das liegt vor allem daran, dass die oben vorausgesetzten sehr geordneten Verhältnisse für die meisten Alltagssituationen auf das jeweilige Licht bzw. die jeweiligen Oberflächenstrukturen, auf die das Licht trifft, nicht zutreffen. Die vielen einzelnen wellenbezogenen Phänomene werden dann so miteinander überlagert, dass sich die Erscheinungen in ihrer Gesamtstruktur auch einfach anhand eines Strahls beschreiben lassen.

Die Vorstellung, dass Licht sich als Strahl ausbreitet ist uns daher auch aus dem Alltag sehr vertraut. Kinder zeichnen Bilder mit der Sonne, von der Licht in Form von Strahlen auf die Erde scheint, wir sehen zu breiten Kegeln gebündelte Strahlen als Schein der Taschenlampe oder als dünne Streifen in einer Lasershow. Durch eine löcherige Wolkendecke bricht das Sonnenlicht in gut sichtbaren Strahlen hervor (siehe Abbildung A.8).

Bei all diesen Erscheinungen wird die geradlinige Ausbreitung von Licht sehr schön deutlich. Das Strahlen-Modell von Licht kommt folglich dann zum Tragen, wenn wir uns die Interaktion von Licht an unterschiedlichen alltagsbezogenen Oberflächen anschauen. An solchen Oberflächen wird Licht absorbiert, reflektiert (in einem bestimmten Winkel) oder gestreut (in unterschiedliche Winkel) und transmittiert (durchgelassen) (siehe Abschnitt B). Manchmal begegnen uns auch Phänomene, die der geradlinigen Ausbreitung von Licht scheinbar widersprechen wie beispielsweise in Abbildung A.9. Dies liegt daran, dass Licht beim Übergang zwischen zwei Medien aus seinem ursprünglichen Weg abgelenkt werden kann.

Einfügen: Abbildung A.9 optische Brechung

Die Abbildung zeigt einen Lichtstrahl, der von Luft schräg auf eine Wasseroberfläche trifft. Diese „Ablenkung“ von Licht beim Übergang zwischen zwei Medien nennen wir „(optische) Brechung“. Sie kommt (vermutlich überraschenderweise) dadurch zustande, dass Licht sich in Medien unterschiedlich schnell ausbreitet (s.o.). In Wasser und Glas liegt der sogenannte Brechungsindex n zwischen 1,4 und 1,6. Der Brechungindex n ist definiert als das Verhältnis aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im jeweiligen Medium zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum:

(Der Einfachheit halber können wir anstelle der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus die in Luft verwenden, da beide sich nur um 0,03% voneinander unterscheiden.)

Man kann sich dies gut veranschaulichen, wenn man ein kleines Fahrzeug betrachtet, das einen Lichtstrahl (oder eine Wellenfront) einer bestimmten Breite symbolisiert, die durch die Breite seiner Reifenachse gegeben ist (siehe Abbildung A.10).

Befindet sich dieses Auto auf einem glatten Untergrund, fährt es geradlinig in eine Richtung. Trifft es nun allerdings schräg auf einen raueren Untergrund, beispielsweise einen seitlichen Randstreifen, ändert sich seine Bewegung. Bei genauer Betrachtung wie in Abbildung A.10 wird deutlich, dass das rechte Vorderrad des Autos zuerst mit dem raueren Untergrund in Kontakt kommt. Auf diesem Untergrund wird es sich langsamer fortbewegen als zuvor. Der rechte Vorderreifen wird also etwas abgebremst. Der linke Vorderreifen befindet sich indes noch auf dem ursprünglichen glatten Untergrund und fährt unvermindert weiter. Das Auto wird sich in seiner Vorwärtsbewegung demnach etwas nach rechts wenden, in Richtung des „Lots“ (Senkrechte auf der Grenzfläche).

Das Gleiche gilt auch für den Lichtstrahl, der schräg auf eine Grenzfläche zwischen zwei optisch unterschiedlichen Medien trifft. Es wird in seiner Ausbreitungsrichtung zum Lot hin gebrochen, wenn das zweite Medium optisch dichter und vom Lot weggebrachten, wenn es optisch dünner ist. Die Wege sind dabei identisch für beide Ausbreitungsrichtungen (siehe Abbildung A.9). Wie weit der Strahl dabei von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt wird, lässt sich anhand einer Gleichung berechnen. Das Verhältnis aus Einfalls- und Ausfallswinkel wird dabei ebenfalls durch den Brechungsindex bestimmt:

Die Gleichung lässt sich noch weiter vereinfachen, wenn wir nLuft mit 1 gleichsetzen (s.o.):

Wir kennen das Phänomen auch umgekehrt aus dem See oder Schwimmbad: Wollen wir nach einem Tauchring oder Stein greifen, der sich scheinbar schräg vor uns befindet, greifen wir dabei oft daneben. Das Licht, das von dem Ring oder Stein ausgeht, wird an der Oberfläche zur Luft gebrochen und trifft daher aus einem anderen Winkel in unser Auge als es der realen geometrischen Verbindung zwischen Auge und Gegenstand entsprechen würde. Uns erscheint der Gegenstand hingegen in Verlängerung des Lichtes, der in unser Auge fällt. Der Griff geht ins Leere (siehe Abbildung A.11).

Die Erklärung noch erstaunlicherer Phänomene liegt nun nur noch einen nächsten Gedanken weit entfernt. In Abbildung A.12J erscheint es so, als wäre das Licht im Wasserstrahl eingesperrt und würde sich gar nicht mehr an die Regel der geradlinigen Ausbreitung halten.

Hier haben wir es mit der sogenannten Totalreflexion zu tun. Der Lichtstrahl trifft so schräg vom Wasser auf die Grenzfläche zu Luft, dass es nicht mehr austreten kann (der Winkel in Luft kann nicht größer werden als 90o). Es kommt zur sogenannten „Totalreflexion“ bei der das Licht an der Grenzfläche zu Luft immer wieder in den Wasserstrahl hinein reflektiert wird. Es verbleibt also im Wasserstrahl.

Vereinbarkeit der Modelle: Das Strahlen-Modell von Licht ist mit dem Wellenmodell insofern vereinbar, als dass wir die Strahlen senkrecht auf den Wellenfronten verlaufend denken können (siehe Abbildung A.13 für das Lichtbündel eines Laserpointers und die Ausbreitung der Sonnenstrahlung).

Die geradlinige Ausbreitung in Form eines Strahls kommt dann dadurch zustande, dass es innerhalb eines Mediums keine Vorzugsrichtung für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gibt. Da die Wellen sich (wenn ungehindert) kugelförmig im ganzen Raum ausbreiten, sind die Senkrechten auf ihren Fronten gerade Linien.

Es kommt dann auf die Situation an, ob das Strahlen-Modell ausreicht oder wir das Wellenmodell bemühen müssen. Mit dem Strahlen-Modell allein wäre beispielsweise das Punktemuster beim Durchgang des Laserlichtes durch ein Gitter / einen Schmetterlingsflügel aus Abbildung A.7 nicht zu erklären gewesen.

A.3 Licht als Teilchen

Das dritte Modell komplettiert die in der Schulphysik gebräuchlichen Modell von Licht, findet aber erst in der Oberstufe Verwendung, daher betrachten wir es hier nur kurz. Bereits Newton beschrieb Licht im 17. Jahrhundert in Form sogenannter „Korpuskeln“ und über eine lange Zeit diskutierten Physiker über die Berechtigung der verschiedenen Modelle von Licht und speziell den Wellen- und Teilchencharakter. Heute wird die Verwendung beider Veranschaulichungen als Welle-Teilchendualismus bezeichnet und auch auf weitere Materieteilchen wie beispielsweise Elektronen ausgeweitet. Berühmtheit erlangte ein als „Photoelektrischer Effekt“ bekanntgewordener Versuch zu Beginn des 20. Jahrhunderts, für dessen Erklärung im Rahmen der Verwendung des Teilchenmodells Einstein 1921 den Physik-Nobelpreis erhielt.

Bei diesem in Abbildung A.14 skizzierten Versuch wird eine Platte durch zusätzliche Elektronen elektrisch negativ aufgeladen. Ein Zeiger zeigt den entsprechenden Überschuss elektrisch negativer Ladungen an. Beleuchtet man nun diese Platte mit Licht bestimmter Wellenlänge (im UV-Bereich), geht der Ausschlag des Zeigers zurück. Die Platte „entlädt“ sich, die überschüssigen elektrisch negativen Ladungen (Elektronen) verlassen die Platte (siehe Abbildung A.15) .

Dies lässt sich erklären, wenn man davon ausgeht, dass Licht nicht kontinuierlich in Wellen mit beliebiger Energiemengen vorkommt, sondern in diskreten Paketen, genannt „Photonen“. Licht einer bestimmten Wellenlänge sind dann entsprechend Pakete einer bestimmten und immer gleichen Energiemengen zugeordnet.

Vereinbarkeit der Modelle:

Die Größe dieser Energie haben wir in Abschnitt A.1 bereits in Gleichung 2 eingeführt. Diese konkrete Energie ergibt allerdings erst jetzt wirklich Sinn, wenn wir uns auch Licht als diskrete (Quanten-)Pakete vorstellen. Um die überschüssigen Elektronen der geladenen Platte „herauszulösen“ sind solche sehr bestimmten, konkreten Energien notwendig. Die Entladungserscheinung zeigt sich daher auch nur bei der Bestrahlung von Licht bestimmter Wellenlänge. Anderer elektromagnetische Strahlung ist auch eine andere Energie pro Photon zugeordnet, die aber für das Herauslösen der Elektronen nicht geeignet ist. Auch die Bestrahlung von Licht mit der halben zugeordneten Energie und doppelter Intensität oder über eine doppelt so lange Zeitdauer, zeigt nicht den Effekt der Entladung.

Betrachtete Phänomene:

Schauen wir zurück auf unsere Beispiele zu Beginn. Für die Beschreibung von Phänomenen, die sich auf feine Oberflächenstrukturen beziehen, und die entweder ein sehr geordnetes Licht (meist Laser) voraussetzen oder schillernde farbige Erscheinungen hervorbringen, ist meist das Wellenmodell von Licht notwendig. Sie eignen sich für eine nähere Betrachtung in der oberen Sekundarstufe I, bzw. in der Sekundarstufe II. Phänomene, die eine geometrische Struktur aufweisen und in der Licht sich geradlinig ausbreitet bzw. eine Brechung beim Übergang zwischen Medien erfährt, lassen sich hingegen meist mit dem Strahlenmodell beschreiben. Quantenmechanische Effekte, bei denen Licht als Träger diskreter Energiemengen auftritt, erfordern eine Betrachtung anhand des Teilchenmodells.