In diesem Abschnitt wird das Verhalten von Licht beim Auftreffen auf verschiedene Oberflächen betrachtet. Hierbei werden alltagsbezogene Oberflächen und einfache Lichtquellen behandelt, so dass eine Verwendung des Strahlenmodells von Licht ausreichend ist. Es ist außerdem notwendig zu beachten, dass ein Gegenstand dann sichtbar ist, wenn Licht von diesem Gegenstand in das Auge fällt.
B.1 Wann kann etwas optisch wahrgenommen werden? (Sehen)
Streuung an Materie: In Abbildung B1 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. Licht kann nur wahrgenommen werden, wenn es in das Auge fällt. Dazu muss es entweder von der Lichtquelle direkt auf das Auge treffen oder von einem Gegenstand in das Auge „gelenkt“ (gestreut) werden.
Die folgende Abbildung B2 enthält die Auflösung: Erst der Schein auf dem nahegelegenen Schirm macht sichtbar, dass die Taschenlampe angeschaltet ist.
Zwischen Lampe und Schirm werden die Lichtstrahlen nur sichtbar, wenn ihr Licht beispielsweise durch Staubteilchen in der Luft, Wassertröpfchen, oder andere Partikel in das Auge gestreut werden, auch wenn der Lichtstrahl selbst nicht in die Richtung des Auges 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, wird der Lichtweg sichtbar. In einer ideal-staubfreien Umgebung und ideal spiegelnden Oberflächen wäre der Lichtstrahl aus einer seitlichen Perspektive entsprechend gar nicht sichtbar.
Video B1: Lasershow im Tivoli.
Selbstleuchtende und beleuchtete Objekte: Es ist sinnvoll zwischen solchen Objekten zu unterscheiden, die sichtbar sind, weil sie aufgrund von chemischen oder physikalischen Prozessen von sich aus leuchten und solchen, die sichtbar sind, 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 Abb. B3).
Andere Objekte wie der Mond, die Erde und sämtliche andere nicht-leuchtende Gegenstände sind sichtbar, weil eine natürliche oder künstliche Lichtquelle sie beleuchtet (siehe Abb. B4).
Das Licht, das auf diese Gegenstände trifft, wird von ihnen je nach Beschaffenheit ihrer Oberfläche zum Teil wieder zurückgeworfen. Ein Gummibär ist beispielsweise sichtbar, weil er einen Teil des Lichts, das auf seine Oberfläche trifft, wieder aussendet. Im Folgenden werden Prozesse an solchen Oberfläche genauer betrachtet, um dadurch auch zu verstehen, warum Oberflächen 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 die Oberfläche eines Gegenstands, dann kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Licht und Material. Es werden vier ideale Fälle unterschieden (siehe Abb. B5). 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. Dabei kommt es bei einem Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindizes zusätzlich zum oben diskutierten Phänomen der optischen Brechung.
Fall 2: Das Licht wird absorbiert (aufgenommen).
Oberflächen erscheinen 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. Es wird daran geforscht, möglichst ideal-schwarze Farbe zu entwickeln. Diese Farben heißen „Vantablack“, „Dark Chamaleon Dimers“ und „Mousu Black“. Sie absorbieren über 99,9% des eintreffenden Lichts. Gegenstände in dieser Farbe sehen für das menschliche Auge aus wie perfekter Schatten.
Fall 3: Das Licht wird gestreut (in alle Raumrichtungen).
Genau anders verhält es sich mit Gegenständen, deren Oberfläche weiß erscheint. Das auftreffende sichtbare (weiße) Licht wird hier vollständig wieder abgegeben. Dabei wird es allerdings in alle Richtungen gestreut. Auch hier gibt es Rekorde: Das „Ultra Weiß“ sendet 98,1% des einfallenden Lichts wieder aus. Wird ein Haus mit dieser Farbe gestrichen, hat das einen kühlenden Effekt für das Innere.
Fall 4: Das Licht wird reflektiert (in eine konkrete Raumrichtung gespiegelt).
Anders verhält es sich bei spiegelnden Oberflächen, die das Licht ebenfalls 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 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 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 B6 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.
Abbildung B7 zeigt reale Objekte, deren Oberflächen überwiegend mit einer der vier Fälle in Verbindung gebracht werden können, aber an denen auch mindestens einer der anderen Fälle auftritt.
Video B2: Licht an Oberflächen.