Licht

Grundidee und physikalische Beschreibung

Licht ist elektromagnetische Strahlung. Im engeren Sinn bezeichnet der Begriff den für Menschen sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Seine Grenzen werden je nach Festlegung ungefähr bei 360 bis 400 nm und 760 bis 830 nm angesetzt; häufig wird für sichtbares Licht der Bereich von etwa 380 bis 780 nm beziehungsweise 790 bis 385 THz angegeben. Im weiteren physikalischen Sinn können auch Ultraviolett-, Röntgen-, Infrarot- und Terahertzstrahlung einbezogen werden, obwohl die Internationale Beleuchtungskommission davon abrät, all diese Strahlung als Licht zu bezeichnen.

Licht lässt sich abhängig von der Fragestellung durch verschiedene Modelle beschreiben. Die Strahlenoptik stellt seine Ausbreitung durch Lichtstrahlen dar. Die Wellenoptik erklärt unter anderem Beugung und Interferenz. Die Quantenphysik beschreibt Licht mithilfe einzelner Energiequanten, der Photonen. Eine nach heutigem Wissen vollständige Beschreibung liefert die Quantenelektrodynamik.

Im Vakuum breitet sich Licht mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c = 299.792.458 m/s aus. Als elektromagnetische Transversalwelle besitzt es ein elektrisches und ein magnetisches Feld, die senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen. Die Orientierung der Feldvektoren heißt Polarisation. Unpolarisiertes Licht enthält Wellen verschiedener Polarisationsrichtungen. Für das Vakuum gilt c = 1/√(μ₀ε₀), für ein Medium c_Medium = 1/√(μ₀μᵣε₀εᵣ). In Materie hängt die Phasengeschwindigkeit daher von den Materialeigenschaften ab, die im Brechungsindex n zusammengefasst werden. Dessen Frequenzabhängigkeit heißt Dispersion. Deshalb zerlegt ein Prisma Licht in Spektralfarben: Bei normaler Dispersion wird kurzwelliges blaues Licht unter 450 nm stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht über 600 nm.

Historisch wurde Licht zunächst entweder durch ausgesandte Sehstrahlen oder als von einer Quelle ausgehende Erscheinung gedeutet. Ole Rømer wies 1675 anhand des Jupitermonds Io die endliche Lichtgeschwindigkeit nach; sein Wert von etwa 2,1 · 10⁸ m/s wich rund 30 % vom tatsächlichen Wert ab. Isaac Newton vertrat im 17. Jahrhundert eine Korpuskeltheorie, während sich die Wellentheorie von Christiaan Huygens nach Thomas Youngs Doppelspaltexperimenten Anfang des 19. Jahrhunderts durchsetzte. Michael Faraday verband 1846 Licht und Magnetismus. James Clerk Maxwell erkannte 1864 Licht als elektromagnetische Welle. Max Planck und Albert Einstein begründeten schließlich die Quantensicht und den Welle-Teilchen-Dualismus.

Strahlenoptik, Reflexion und Brechung

Die Strahlenoptik oder geometrische Optik nähert die Lichtausbreitung durch gerade Strahlen an. Sie eignet sich besonders, wenn die Abmessungen einer Anordnung viel größer als die Lichtwellenlänge sind und Beugung vernachlässigt werden kann. Damit lassen sich Licht und Schatten sowie die Funktion von Lochkamera, Lupe, Teleskop, Mikroskop und dem Brechapparat des Auges erklären.

Dabei gelten drei wichtige Prinzipien: Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus und ändern ihre Richtung beim Auftreffen auf einen Körper durch Reflexion, Brechung oder Streuung. Sie können einander durchdringen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Außerdem ist der Lichtweg umkehrbar. Die in der Astronomie beobachtete Ablenkung durch schwere Massen, der Gravitationslinseneffekt, bleibt in dieser einfachen Näherung unberücksichtigt.

Bei der Reflexion liegen einfallender Strahl, reflektierter Strahl und das Lot auf der Oberfläche in einer Ebene; Einfallswinkel und Ausfallswinkel sind gleich. Der material- und wellenlängenabhängige Reflexionsgrad ist das Verhältnis der reflektierten zur einfallenden Lichtintensität und gibt an, welcher Anteil des Lichtstroms zurückgeworfen wird.

Bei der Brechung ändert ein Lichtstrahl an der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex seine Richtung; zugleich tritt meist auch Reflexion auf. Nach dem Brechungsgesetz von Snellius liegen einfallender Strahl, gebrochener Strahl und Lot in einer Ebene. Der Winkel zum Lot ist in dem Medium mit dem höheren Brechungsindex kleiner. Quantitativ gilt n₁ sin δ₁ = n₂ sin δ₂. Trifft Licht aus dem optisch dichteren Medium so flach auf die Grenzfläche, dass kein reeller Brechungswinkel möglich ist, entsteht Totalreflexion.

Wellen, Photonen und Materie

Die Wellenoptik beruht auf dem Prinzip von Huygens und Fresnel: Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer kugelförmigen Elementarwelle; die neue Wellenfront entsteht durch deren Überlagerung. Eine Wellenfront ist eine Fläche gleicher Phase, und der Abstand aufeinanderfolgender Wellenfronten entspricht der Wellenlänge. Die Ausbreitungsrichtung steht senkrecht auf der Wellenfront. Dieses Modell erklärt Beugung und Interferenz und ermöglicht auch die Herleitung der Reflexions- und Brechungsgesetze. Es erweitert somit die Strahlenoptik, statt ihr zu widersprechen.

In der Quantenphysik besteht Licht aus diskreten Energiequanten, den Photonen. Ein Photon ist ein elementares Boson mit der Masse 0 und bewegt sich stets mit Lichtgeschwindigkeit c. Seine Energie beträgt E = hν = hc/λ, sein Impuls p = h/λ = hν/c. Dabei sind ν die Frequenz, λ die Wellenlänge und h = 6,626 070 15 · 10⁻³⁴ Js die Planck-Konstante. Photonen werden nur vollständig absorbiert oder emittiert. Dennoch zeigen sie auch Welleneigenschaften. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus bedeutet, dass Quantenobjekte weder klassische Teilchen noch klassische Wellen sind. Nach der Kopenhagener Deutung lässt sich der genaue Auftreffort eines Photons nicht vorhersagen; das Betragsquadrat der Wellenamplitude gibt seine Wahrscheinlichkeitsdichte an. Die Quantentheorie erklärt unter anderem die Strahlung Schwarzer Körper ohne die klassische „UV-Katastrophe“, den Zusammenhang zwischen Frequenz und Elektronenenergie beim Photoeffekt, einzelne Detektorsignale bei schwachem Licht und die kurzwellige Grenze der Röntgenbremsstrahlung.

Beim Auftreffen auf Materie kann Licht reflektiert, gebrochen, gestreut, verlangsamt oder absorbiert werden. Absorption überträgt Lichtenergie auf den Stoff, kann Elektronen anregen oder den Körper erwärmen. Gleichmäßige Absorption aller Wellenlängen lässt einen Körper schwarz erscheinen; selektive Absorption bestimmt durch die verbleibenden Spektralanteile seine Farbe. Angeregte Stoffe können Energie durch spontane Emission, Fluoreszenz oder zeitlich verzögerte Phosphoreszenz wieder abgeben. Doppelbrechung spaltet Licht in zwei unterschiedlich polarisierte Strahlen, optische Aktivität dreht die Polarisationsebene, und beim photoelektrischen Effekt lösen Photonen Elektronen aus einem Körper. Streuung verteilt Licht diffus; unterschieden werden Compton-, Rayleigh-, Raman- und Mie-Streuung.

In der Chemie entstehen Farben durch Elektronenanregungen: Bei organischen Farbstoffen werden delokalisierte π-Elektronen durch sichtbares Licht auf höhere Energieniveaus gehoben. Bei anorganischen Farbstoffen können Übergänge zwischen d-Orbitalen oder Ladungsverschiebungen zwischen Zentralion und Ligand bestimmte Wellenlängen absorbieren.

Lichtquellen, Empfänger und Messgrößen

Thermische Lichtquellen gewinnen ihre Strahlungsenergie aus der Wärmebewegung ihrer Teilchen. Beispiele sind Kerzenflammen, glühende Körper und die Sonne. Ihr kontinuierliches Spektrum enthält alle Wellenlängen; seine Verteilung hängt nach dem Planckschen Strahlungsgesetz, abgesehen vom spektralen Emissionsgrad, von der Temperatur und nicht vom Material ab. Nicht-thermische Quellen besitzen dagegen Linien- oder Bandenspektren. Gasentladungsröhren erzeugen Linienspektren, Leuchtdioden, Polarlichter und Leuchtkäfer Bandenspektren. Als Energiequellen dienen elektrischer Strom, Teilchenstrahlung oder chemische Reaktionen. Linien sind häufig für einen Stoff charakteristisch.

Laserlicht ist nahezu monochromatisch, besitzt also fast nur eine Wellenlänge, ist mehr oder weniger kohärent mit festen Phasenbeziehungen und häufig polarisiert. Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn geladene Teilchen ein durchsichtiges Dielektrikum schneller durchqueren als Licht dieses Medium. Sie ist dem Überschallknall vergleichbar und etwa in Schwimmbadreaktoren und Abklingbecken sichtbar.

Empfangen und nachweisen lässt sich Licht unmittelbar mit dem Auge, durch fotografische Filme und zunehmend durch Bildsensoren. Photozellen, Bildverstärker und Photomultiplier nutzen den äußeren photoelektrischen Effekt; Photodioden, Fototransistoren und Fotowiderstände den inneren. Farbdetektoren kombinieren Photodetektoren mit verschiedenen Filtern. Ultraviolett und nach Zwei-Photonen-Absorption auch Infrarot können über Fluoreszenz sichtbar gemacht werden. Bolometer und thermische Leistungsmesser nutzen die Wärmewirkung des Lichts.

Wichtige Messgrößen sind: Der Lichtstrom in Lumen beschreibt das gesamte abgegebene Licht, die Lichtmenge in Lumensekunden dessen zeitliches Integral. Die Lichtstärke in Candela ist der Lichtstrom pro Raumwinkel, die Leuchtdichte in cd/m² die Lichtstärke pro Fläche eines Emitters. Die Beleuchtungsstärke in Lux gibt an, wie viel Licht auf eine Fläche fällt. Die Farbtemperatur in Kelvin entspricht der Temperatur eines Schwarzen Strahlers mit möglichst ähnlicher Lichtfarbe; eine stärker blau-weiße, als kühl empfundene Farbe hat eine höhere Farbtemperatur. Das Lichtjahr ist dagegen keine Zeiteinheit, sondern die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Der Strahlungsdruck in Pascal bezeichnet die geringe Kraftwirkung des Lichts auf Materie.

Sehen und biologische Bedeutung

Licht ist der angemessene Sinnesreiz des menschlichen Auges: Seine Intensität wird als Helligkeit, seine spektrale Zusammensetzung als Farbe wahrgenommen. Hornhaut, Augenkammern, Linse und Glaskörper bilden den Brechapparat und projizieren ein reelles, auf dem Kopf stehendes Bild auf die Netzhaut. Dort wandeln Photorezeptoren den Reiz in elektrische Signale um, die über den Sehnerv zum Gehirn gelangen. Das Auge passt sich über viele Größenordnungen an verschiedene Intensitäten an; der Zusammenhang zwischen empfundener Helligkeit und tatsächlicher Intensität wird durch das Weber-Fechner-Gesetz beschrieben.

Stäbchen reagieren sehr empfindlich auf einen breiten Spektralbereich und ermöglichen Dämmerungssehen, unterscheiden aber keine Farben. Drei Zapfentypen haben unterschiedliche Reaktionsmaxima, benötigen mehr Licht und ermöglichen gemeinsam das Farbensehen. Bei beiden Zellarten absorbiert ein Sehpigment Photonen; in Stäbchen ist dies Rhodopsin. Die Isomerisierung des Liganden Retinal löst die Phototransduktion und damit ein elektrisches Signal aus. Melanopsin enthaltende photosensitive Ganglienzellen reagieren besonders auf blaues Licht und steuern die innere Uhr mit.

Monochromatisches Licht besitzt eine einzelne Wellenlänge. Sichtbare Spektralfarben reichen ungefähr von Violett bei 380–400 nm bis Rot bei 620–780 nm. Mischungen mehrerer Wellenlängen können weitere Eindrücke erzeugen: Rot und Grün erscheinen additiv gemischt als Gelb, Rot und Blau als Magenta. Magenta entspricht keiner einzelnen Spektralwellenlänge; Gelb kann dagegen auch durch monochromatisches Licht um 570 nm entstehen. Schwaches einfarbiges Orange kann gegenüber seiner Umgebung braun wirken. Andere Tiere nehmen Licht anders wahr: Vögel unterscheiden durch zusätzliche Zapfentypen mehr Farben, Bienen sehen UV-Licht und Polarisation, manche Schlangen nehmen Infrarotstrahlung mit Grubenorganen wahr.

Für Pflanzen ist Licht neben Wasser der wichtigste Ökofaktor, weil es Energie für die Photosynthese liefert. Chlorophyll absorbiert Licht; bei der Photolyse wird Wasser gespalten, und die gewonnenen Reduktionsmittel dienen der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Glucose. Dabei wird Sauerstoff frei: 6 CO₂ + 6 H₂O —hν→ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Lichtgetriebene Kohlenstoffdioxid-Assimilation betreiben photo-autotrophe Organismen wie Gefäßpflanzen, Moose, Algen, Cyanobakterien und Purpurbakterien. Heterotrophe Organismen sind von den so erzeugten organischen Stoffen abhängig. Licht beeinflusst den Stockwerkbau des Waldes, Licht- und Schattenpflanzen sowie die produktive obere Nährschicht von Gewässern.

Tieren dient der Lichtsinn unter anderem zur Orientierung, Steuerung des Tag-Nacht-Rhythmus, Gefahren- und Beuteerkennung sowie Kommunikation. Anpassungen reichen von Augenflecken bis zu Facetten- und Linsenaugen. Tarnung und Nachtaktivität verhindern Entdeckung. Biolumineszenz, etwa bei Leuchtkäfern, Tiefseefischen, Leuchtkrebsen, Pilzen und Bakterien, dient vor allem der innerartlichen Kommunikation, Abschreckung oder dem Anlocken von Beute.

Gesellschaft, Umwelt und Kultur

Künstliches Licht ermöglicht ein sicheres und angenehmes Leben bei Nacht und in geschlossenen Räumen. Technisch heißt das lichterzeugende Bauteil Lampe, Leuchtmittel oder Lichtquelle; zusammen mit seiner Halterung bildet es eine Leuchte. Ausgeprägte Angst vor Dunkelheit wird Achluophobie, Nyktophobie oder Skotophobie genannt und tritt häufig bei Kindern, aber auch bei Erwachsenen auf.

Licht besitzt in Religion und Sprache meist eine positive Symbolik. Im Judentum steht es für den göttlichen Schöpfungsakt und Gottes Gegenwart; in der Tora ist es mit „Es werde Licht“ zentral. Auch die Kabbala deutet Licht als alles durchdringendes göttliches Prinzip. Im Christentum bezeichnet sich Jesus Christus als „Licht der Welt“; Licht steht für Erlösung. Buddhismus und Alltagssprache verwenden „Erleuchtung“ beziehungsweise das „Licht des Wissens“ als Bild für Erkenntnis.

Nach dem deutschen Bundes-Immissionsschutzgesetz gehört Licht zu den Umweltimmissionen. Beleuchtungsanlagen können Schlaf und Wohnen von Menschen und Tieren stören sowie technische Prozesse beeinträchtigen. Die Licht-Richtlinie der Länder enthält Maßstäbe für Raumaufhellung und psychologische Blendung. Problematisch sind unter anderem intensiv farbiges oder blinkendes Licht, falsch eingestellte Scheinwerfer, die Anziehung nachtaktiver Insekten, Störungen des Vogelzugs und die Lichtverschmutzung. Letztere hellt durch Streuung von Lampenlicht den Nachthimmel auf und erschwert astronomische Beobachtungen.

Die UNESCO feierte 2015 das Internationale Jahr des Lichts und rief im November 2017 den Internationalen Tag des Lichts aus. Seit 2018 wird er jährlich am 16. Mai begangen. Er würdigt die Bedeutung des Lichts für Wissenschaft, Kultur, Kunst, Bildung und nachhaltige Entwicklung sowie für Medizin, Kommunikation und Energie und soll zu den UNESCO-Zielen Bildung, Gleichheit und Frieden beitragen.