B – Licht trifft auf Oberflächen

In diesem Abschnitt betrachten wir das Verhalten von Licht beim Auftreffen auf verschiedene Oberflächen. Hierbei behandeln wir alltagsbezogene Oberflächen und einfache Lichtquellen, so dass eine Verwendung des Strahlenmodells von Licht ausreichend ist. Es ist außerdem notwendig zu beachten, dass wir einen Gegenstand dann sehen (wahrnehmen) können, wenn Licht von diesem Gegenstand in unser Auge fällt.

B.1 Wann können wir etwas optisch wahrnehmen (sehen)

Streuung an Materie: In Abbildung B.1 ist eine Taschenlampe zu sehen. Ist sie angeschaltet? Woran lässt sich das festmachen?

Da die Lampe nicht von vorne zu sehen ist und ihr möglicher Lichtkegel vom Betrachter weggerichtet ist, lässt sich das nicht entscheiden. Wir können Licht nur wahrnehmen, wenn es in unser Auge fällt. Dazu muss es entweder von der Lichtquelle direkt auf unser Auge treffen oder von einem Gegenstand in unser Auge „gelenkt“ werden.

Die folgende Abbildung B.2 enthält die Auflösung: Erst der Schein auf dem nahegelegenen Schirm macht sichtbar, dass die Taschenlampe angeschaltet ist.

Die Lichtstrahlen werden dann für uns sichtbar, wenn ihr Licht durch Staubpartikel in der Luft, Wasserteilchen, oder andere Objekte in unser Auge gestreut werden, auch wenn der Lichtstrahl selbst nicht in unsere Richtung gerichtet ist. Besonders eindrücklich ist das bei einer Lasershow mit Einsatz einer Nebelmaschine zu sehen. Ohne den Nebel wären die Laserstrahlen auf ihrem Weg durch die Luft nicht zu sehen, sondern würden erst an ihrem Auftreffpunkt auf einen Gegenstand sichtbar. Da sie aber an den kleinen Partikeln des Nebels in alle Richtungen gestreut werden, können wir den Lichtweg sehen. (In einer ideal-staubfreien Umgebung und ideal spiegelnden Oberflächen wäre der Lichtstrahl aus einer seitlichen Perspektive entsprechend gar nicht sichtbar.)

Selbstleuchtende und beleuchtete Objekte: Es ist sinnvoll zwischen solchen Objekten zu unterscheiden, die wir sehen können, weil sie aufgrund von chemischen oder physikalischen Prozessen von sich aus leuchten und solchen, die wir sehen, weil sie beleuchtet werden.

Zu selbstleuchtenden Objekten gehören sowohl natürliche Lichtquellen wie die Sonne und selbstleuchtende Himmelskörper als auch künstliche Lichtquellen wie eine Lampe, eine Kerze, eine LED usw. (siehe Abbildung B.3).

Andere Objekte wie der Mond, die Erde und sämtliche andere nicht-leuchtende Gegenstände können wir sehen, weil eine natürliche oder künstliche Lichtquelle sie beleuchtet (Abbildung B.4.

Das Licht, das auf diese Gegenstände trifft, wird von ihnen je nach Beschaffenheit ihrer Oberfläche zum Teil weitergeleitet. Einen Gummibär können wir beispielsweise also sehen, weil er einen Teil des Lichts, das auf seine Oberfläche trifft, wieder aussendet. Im Folgenden betrachten wir die Prozesse an solchen Oberfläche genauer, um dadurch auch zu verstehen, warum Oberflächen für uns unterschiedlich aussehen. (Auf die farbige Erscheinung von Licht und den Einfluss von farbigem Licht geht Themengebiet Licht & Farbe näher ein.)

B.2 Licht beim Auftreffen auf ideale Oberflächen

Trifft Licht auf einen Gegenstand – genauer: auf seine Oberfläche -, dann kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Licht und Material. Wir unterscheiden vier ideale Fälle (siehe Abbildung B.5). Bei realen Gegenständen treten diese Fälle in der Regel nicht in Reinform auf, sondern in Mischformen.

Fall 1: Das Licht wird transmittiert (durchgelassen).

Dies tritt bei durchsichtigen Materialien auf wie beispielsweise Luft, Glas und Wasser. Allerdings kommt es bei einem Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindizes zum oben diskutierten Phänomen der optischen Brechung.

Fall 2: Das Licht wird absorbiert (aufgenommen).

Oberflächen erscheinen uns bei Beleuchtung schwarz, wenn sie das gesamte auftreffende Licht komplett absorbieren. Es ist leicht nachzuvollziehen, warum sich diese Gegenstände auch in der Sonne besonders gut aufheizen, da sie die Strahlungsenergie des sichtbaren Lichtes vollständig aufnehmen, aber nicht wieder abgeben.

Fall 3: Das Licht wird gestreut (in alle Raumrichtungen).

Genau anders verhält es sich mit Gegenständen, deren Oberfläche für uns weiß erscheint. Das auftreffende sichtbare (weiße) Licht wird hier vollständig wieder abgegeben. Dabei wird es allerdings in alle Richtungen gestreut.

Fall 4: Das Licht wird reflektiert (in eine konkrete Raumrichtung gespiegelt).

Anders verhält es sich bei spiegelnden Oberflächen, die das Licht ebenfalls vollständig wieder aussenden, allerdings in Form einer Reflexion, d.h. nur in einem bestimmten Winkel (Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Streuende Oberflächen unterscheiden sich daher von reflektierenden Oberflächen dadurch, dass eine streuende Oberfläche von jeder Raumrichtung aus betrachtet zu sehen ist (da das Licht auch in jede Richtung gestreut wird). Reflektierende Oberflächen (Spiegel) hingegen lassen das Bild der Lichtquelle erscheinen, allerdings muss der Betrachter dafür in einem bestimmten Winkel zu Spiegel und leuchtendem Objekt stehen.

B.3 Licht beim Auftreffen auf reale, nicht-ideale Oberflächen

Die Oberflächen realer Objekte interagieren mit dem auftreffenden Licht immer in Mischformen. Beispielsweise streut auch die Oberfläche eines realen Spiegels das Licht auch ein wenig in alle Richtungen, vor allem wenn sich kleine Kratzer und Staubteilchen auf seiner Oberfläche befinden. Auf einem schwarzen T-Shirt sind üblicherweise ebenfalls Falten und kleinere Stoffstrukturen zu sehen, an denen das Licht nicht komplett absorbiert wird. Weißes Papier erscheint in Reflexionsrichtung des Lichtstrahls ein wenig heller als in die übrigen Richtungen, da auch ein leichter Reflexionseffekt an seiner glatten Oberfläche auftritt usw. Wasseroberflächen, knitterige Alufolie u.ä. zeigen eine Mischform von idealer Reflexion und chaotischer Streuung, da ihre Oberfläche vielen kleinen unterschiedlich ausgerichteten Spiegelchen gleicht.

Abbildung B.6 zeigt daher reale Objekte, deren Oberflächen überwiegend mit einer der vier Fälle in Verbindung gebracht werden können, aber auch mindestens einer der anderen Fälle ebenfalls auftritt.

Abbildung B.7 zeigt Fotos von realen Oberflächen, bei denen zu sehen ist, das ein Fall der Interaktion von Licht an der Oberfläche dominiert, aber auch weitere auftreten.