Physikalische Natur des Lichts

Licht im engeren Sinne bezeichnet elektromagnetische Strahlung, die mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar ist. In einem weiteren physikalischen Sinne bezeichnet Licht einen größeren Bereich elektromagnetischer Strahlung, welcher sich zwischen der Mikrowellenstrahlung und der Röntgenstrahlung befindet. Neben dem sichtbaren Licht enthält diese Definition auch das infrarote Licht und die ultraviolette Strahlung.

Physikalisch lässt sich das Phänomen Licht mit zwei wesentlichen Gedankenmodellen beschreiben: Einerseits gehorcht Licht in weiten makroskopischen Bereichen den Gesetzen der Wellentheorie. Monochromatisches Licht lässt sich daher recht gut als kontinuierliche elektromagnetische Abstrahlung einer bestimmten Frequenz und Intensität beschreiben. Den verschiedenen Arten von Licht (Ultraviolett, sichtbares Licht, Infrarot, aber auch den einzelnen Farben) lassen sich spezifische Frequenzen bzw. Wellenlängen zuordnen. Geordnet nach diesen Wellenlängen ergibt sich das bekannte Spektrum des sichtbaren Lichts.

Hierbei korrespondiert die Frequenz der einzelnen Farben mit dem relativen Energiegehalt des Lichts. So ist rotes Licht verhältnismäßig energieärmer als blaues Licht. Auch ist das infrarote Licht deutlich energieärmer als das ultraviolette Licht.

Eine andere Betrachtungsweise stützt sich auf die quantenphysikalischen Eigenschaften des Lichts. Verlässt man den makroskopischen Bereich, so zeigt sich bei Licht (und anderen elektromagnetischen Strahlungen) eine diskontinuierliche Natur.

Die Strahlungsenergie wird nicht – wie in der Wellentheorie – kontinuierlich übertragen. Vielmehr scheint die Energie durch eine gewisse Körnigkeit ausgezeichnet zu sein. Licht lässt sich also nicht in beliebig kleinen Häppchen übertragen, sondern wird durch das Übermitteln kleinster Einheiten transportiert. Planck entdeckte als Erster dieses Phänomen, er prägte den Begriff des Wirkungsquantums.

In Analogie zur Wellentheorie besitzt jedes Lichtquant eine spezifische Energie, welche mit dessen Farbe bzw. Wellenlänge korrespondiert. Das einzelne Lichtquant ist unteilbar, monochromatisches Licht wird somit als Vielfaches eines solchen Quants darstellbar.

Beide Theorien haben ihre Berechtigung und unterscheiden sich vor allem durch die Maßstäbe, in denen sie Gültigkeit haben. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da dieser Leitfaden nur den makroskopischen Bereich behandelt, wird im Folgenden vor allem die Wellentheorie Anwendung finden.

In einer noch größeren Betrachtungsweise lässt sich Licht auch in einem simplifizierten Strahlenmodell darstellen. Hierbei werden Lichtstrahlen entlang einer Verbindungslinie zwischen der Lichtquelle und einem zu betrachtenden Zielpunkt gebildet. Mit diesem einfachen Modell lassen sich bereits viele relevante optische Phänomene wie

Durch dieses Mischen einzelner monochromatischer Anteile entstehen Mischlichter. Betrachtet man die spektrale Zusammensetzung eines solchen Lichts, so lassen sich auch nach dem Mischen die einzelnen monochromatischen Anteile identifizieren und separieren. Die Welleneigenschaften der ursprünglich eingesetzten Lichtarten bleiben also erhalten.

Das Mischen einzelner monochromatischer Anteile zu einem polychromatischen Licht kann beliebig ausgedehnt werden. Sehr vereinfacht lässt sich sagen: Enthält ein Spektrum Licht aller sichtbaren Wellenlängen und sind deren Intensitäten angemessen verteilt, so erscheint uns dieses Licht mit einer weißen Farbe. Das ideale weiße Licht wird hierbei durch das Spektrum der Sonne dargestellt.

Die Güte einer künstlichen Lichtquelle muss immer mit den Merkmalen des Sonnenlichts vergleichbar sein, da unsere Augen als Ergebnis einer mehrere Millionen Jahre dauernden Entwicklung an diese Lichtqualität angepasst sind. Mit großem Abstand ist das Sonnenlicht die wesentliche Energiequelle allen Lebens auf der Erde. Das heißt, vereinfacht ausgedrückt, dass von den Produzenten (Pflanzen, Algen etc.) mit Hilfe von photosynthetischen Prozessen Energie und anorganische Ausgangsstoffe in Biomasse überführt werden.

Am häufigsten ist hierbei eine Photosynthese auf Basis von Chlorophyll zu beobachten. In diesem Syntheseprozess wird aus Kohlendioxid und Wasser Zucker hergestellt. Dieser Zucker (Glukose) treibt als Energielieferant der Zellatmung alle weiteren Prozesse an. Die Konsumenten (Mensch, Tiere, Pilze) verzehren die Produzenten und partizipieren somit indirekt an der photosynthetischen Energiegewinnung.

Neben der Energiezufuhr hat das Sonnenlicht als eine der dominierenden Naturerscheinungen auch weitere, tiefgehende Relationen zu biologischen Systemen. So stellt der Tag-Nacht-Rhythmus von 24 Stunden den wesentlichen Zeittakt der Natur dar. Viele Prozesse der Lebewesen, auch die des Menschen, werden daher im Tagesverlauf durch die wechselnde Beschaffenheit des Sonnenlichts beeinflusst. Auch die Jahreszeiten der äquatorfernen Erdregionen sind direkt an das Phänomen Licht gekoppelt – über die variierende solare Einstrahlung.