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Licht

Licht ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, d. h. ein Phänomen des Elektromagnetismus. Als Licht im engeren Sinne gilt nur diejenige Strahlung, die für das menschliche Auge sichtbar ist. Dies ist der Fall bei Wellenlängen zwischen ca. 400 nm und 750 nm, bzw. bei Frequenzen zwischen ca. 400 THz und 750 THz. (1 THz bedeutet 10¹² = eine Billion Schwingungen pro Sekunde.) Da die Sichtbarkeit des Lichts auch vom jeweiligen Auge abhängt sowie von der Intensität, ist der genannte Wellenlängenbereich von Fall zu Fall etwas unterschiedlich. Je weiter die Wellenlänge sich den genannten Grenzen nähert, desto mehr Intensität ist nötig, damit noch etwas gesehen wird.

Längerwellige Strahlung (mit Wellenlängen oberhalb von 750 nm) wird in einem erweiterten Sinne als Infrarotlicht (IR-Licht) bezeichnet, soweit sie sich physikalisch noch ähnlich wie sichtbares Licht verhält (z. B. bezüglich der Ausbreitung in Luft). Eine allgemein akzeptierte obere Grenze für die Wellenlänge von Infrarotlicht gibt es nicht, jedoch kann man diese z. B. bei 1 mm ansetzen. Noch längerwelligere elektromagnetische Strahlung fällt in die Bereiche von Terahertz-Strahlung, Millimeterwellen, Mikrowellen, Radiowellen etc.

Auf der anderen Seite spricht man von ultraviolettem Licht (UV-Licht), wenn die Wellenlänge unterhalb von ca. 400 nm liegt. Auch hier gibt es keine scharf definierte Grenze für die Wellenlänge; man gelangt schließlich in die Bereiche von Röntgenstrahlung und Gammastrahlung (eine Art von radioaktiver Strahlung).

Licht als Energieform

Wie andere Arten elektromagnetischer Strahlung auch transportiert Licht Energie. Beispielsweise sendet die Sonne in dieser Form sehr viel Energie zur Erde, wobei allerdings der Löwenanteil davon auf das Infrarotlicht entfällt. Da Infrarotlicht also am meisten zur Erwärmung durch Sonnenlicht beiträgt, wird es auch als Wärmestrahlung bezeichnet.

Die Energie des Lichts ist quantisiert, d. h. sie wird in Form sehr kleiner Energiepakete abgeben. Deren Größe hängt von der jeweiligen Frequenz bzw. Wellenlänge ab. Nach einer naiven Vorstellung ist Licht einfach ein Strom kleiner Energiepakete, einer Art von Teilchen, die als Photonen bezeichnet werden. Diese Vorstellung ist im Einklang mit manchen Beobachtungen, mit anderen aber nicht. Insbesondere hat Licht auch einen Wellencharakter, der sich in Interferenzphänomenen äußert und bei einem einfachen Strahl von Teilchen nicht zu erwarten wäre. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus ist mit einfachen bildlichen Vorstellungen kaum zu fassen, wird jedoch im Rahmen der Quantentheorie logisch konsistent beschrieben. Das beobachtbare Verhalten von Licht wird von der Quantentheorie außerordentlich genau und zuverlässig wiedergegeben.

Licht ist eine kaum speicherbare Form von Energie. Zwar kann man Licht im Prinzip in einem so genannten optischen Resonator einschließen, wo es mithilfe von hoch reflektierenden Spiegeln in einem geschlossenen Pfad geführt wird. Jedoch geht die Energie selbst bei Verwendung extrem hoch reflektierender Spiegel sehr schnell verloren (meist innerhalb von viel weniger als einer Sekunde), da sich das Licht mit extrem hoher Geschwindigkeit ausbreitet (beispielsweise in Luft mit ca. 300 000 km/s) und da seine Energie bei jeder Reflexion zumindest zu einem kleinen Teil verloren geht.

Erzeugung von Licht

Das bereits erwähnte Sonnenlicht enthält eine sehr breite Spanne von Wellenlängen bzw. Frequenzen. Dasselbe gilt für andere Quellen, die aufgrund ihrer sehr hohen Temperatur Licht abstrahlen (thermische Strahler). Wenn die Temperatur eines Gegenstands nicht so hoch ist, dass wesentliche Mengen von sichtbarem Licht emittiert werden können, kann immer noch einiges an Wärmestrahlung (Infrarotlicht) erzeugt werden.

Licht kann auch in elektrischen Gasentladungen entstehen, wo Atome oder Moleküle in so genannte angeregte Zustände gelangen können, aus denen sie häufig unter Abstrahlung von Licht wieder in ihren Grundzustand gelangen. Dieses Licht transportiert also Energie fort, die vorher kurzzeitig als sogenannte Anregungsenergie in den Atomen bzw. Molekülen enthalten war. Im Gegensatz zu thermischer Strahlung enthält dieses Licht oft, aber nicht immer, vorzugsweise Wellenlängen in ganz bestimmten engen Bereichen. Das so genannte Lichtspektrum ist also nicht kontinuierlich, sondern besteht aus diskreten Linien, die bestimmten Wellenlängen entsprechen.

Licht, welches vorwiegend einen engen Bereich von Wellenlängen enthält, wird vom Auge als farbig wahrgenommen. Beispielsweise sieht Licht mit Wellenlängen um 500 nm grün aus, während rotes Licht Wellenlängen oberhalb von 600 nm hat. Licht mit einer ausgewogenen Mischung von Wellenlängen (d. h. mit einem kontinuierlichen Spektrum oder auch mit mehreren spektralen Linien) kann für das Auge weiß wirken.

Glühlampen erzeugen thermische Strahlung, die ein kontinuierliches Spektrum aufweist und nur zu wenigen Prozent der Energie in den Bereich des sichtbaren Lichts fällt. Dagegen können Gasentladungslampen direkt sichtbares Licht mit höherer Effizienz erzeugen, oder aber ultraviolettes Licht, welches danach in einem Leuchtstoff ("Phosphor") in sichtbares Licht umgewandelt werden kann (→ Leuchtstofflampe). Eine andere Art der Lichterzeugung erfolgt in Leuchtdioden, wo Ladungsträger in einer Halbleiterstruktur elektrisch angeregt werden und dadurch Licht abstrahlen können. Auch hier erfolgt die Abstrahlung in einem engen Wellenlängenbereich und meist mit hoher Effizienz.

Andere technisch wichtige Quellen von Licht (meist von Infrarotlicht) sind Laser. Diese erzeugen oft Licht, welches auf einen einzigen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert ist. Ein anderer wichtiger Unterschied zum Beispiel zum Sonnenlicht besteht darin, dass Laserlicht sehr regelmäßig geformte Wellenfronten aufweist. Dies ermöglicht die sehr gerichtete Ausbreitung von Lichtstrahlen mit nur geringer Aufbereitung auch über größere Distanzen, und ebenfalls die Fokussierung des Lichts auf eine sehr kleine Fläche. Hinzu kommt, dass Laser die Energie in Form sehr kurzer Lichtpulse liefern können, d. h. dass die Lichtenergie auch zeitlich sehr stark konzentriert wird. Laserlicht bietet also die Möglichkeit, Energie räumlich und zeitlich extrem gezielt zu verabreichen. Dies wird beispielsweise in verschiedenen Verfahren der Materialbearbeitung ausgenutzt.

Umwandlung von Licht in andere Energieformen

Wenn Licht zum Beispiel auf einem festen Körper absorbiert wird, wird seine Energie in der Regel in Wärme umgewandelt. Dies wird zum Beispiel in Sonnenkollektoren ausgenutzt (→ Solarthermie). In manchen Fällen können aber auch andere Energieformen entstehen. Beispielsweise kann eine Solarzelle aus Licht direkt elektrische Energie erzeugen (→ Photovoltaik). Die technische Nutzung der Energie von Sonnenlicht für die Erzeugung von elektrischer Energie oder Wärme gehört zu den wichtigsten Arten der Nutzung von erneuerbarer Energie.

Licht kann auch chemische Umwandlungen auslösen, und zwar nicht nur über den Umweg der Erzeugung von Wärme. Dies ist besonders bei kurzwelligem Licht der Fall, also bei ultravioletten Licht wesentlich eher als bei sichtbarem oder gar infrarotem Licht. Dies hängt damit zusammen, dass die Anregung (oder auch Ionisierung) von Atomen oder Molekülen jeweils eine bestimmte Energiemenge erfordert, dass also die Energie der Photonen genügend hoch sein muss. Dies ist nur bei ausreichend hoher Frequenz bzw. genügend kleiner Wellenlänge der Fall.

Siehe auch: Beleuchtung, Wärmestrahlung, Strahlung