Newtons Entdeckung des Lichtspektrums

Was ist Licht?

Was ist Licht?

Licht ist Leben und eine wertvolle Ressource.

Es lässt uns Farben erkennen und strukturiert unseren Alltag.

Licht ist eines der spannendsten Dinge und ermöglicht uns Menschen überhaupt erst das Leben, dass wir alle kennen und lieben.

Selbst berühmte Wissenschaftler, wie Albert Einstein und Isaac Newton waren davon fasziniert. Licht ist für uns Menschen selbstverständlich geworden. Schließlich ist es einfach immer da wie die Luft, die wir atmen.

Was ist Licht?

Die Geschichte des Lichts

Bis weit in die Neuzeit war weitgehend unklar, was Licht ist. Viele berühmte Köpfe zerbrachen sich den Kopf darüber und stellten die wildesten Theorien auf.

Pythagoras glaubte beispielsweise, dass den Menschen heiße Sehstrahlen aus den Augen kämen, die von anderen Objekten zurückgedrängt werden.

(Wenn das so wäre, könnte der Mensch übrigens problemlos im Dunkeln sehen.)

Galileo Galilei beschäftigte sich auch mit Licht. Er versuchte als einer der Ersten, die Geschwindigkeit zu messen mit der sich Licht ausbreitet – leider erfolglos.

Geschichte des Lichts

Diesen Erfolg hatte später der dänische Astronom Ole Rømer im Jahr 1675, indem er die Jupitermonde beobachtete. Die Abweichung seiner Messdaten betrug zwar rund 30 %, doch immerhin gelang ihm der Nachweis, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet.

Newtons Entdeckung des Lichtspektrums

Im 17. Jahrhundert entwickelte dann schließlich Isaac Newton seine Korpuskeltheorie. Darin beschrieb er, dass Licht aus kleinsten Korpuskeln (Körperchen) bestehen müsse. Er versuchte die Ausbreitung von Licht anhand kleiner Teilchen zu erklären.

Die Theorie half ihm dabei, die Reflexion von Licht zu verstehen, erklärte aber die anderen optischen Phänomene (wie die Beugung) nicht. Seine Theorie wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts erneut aufgegriffen, jedoch schließlich widerlegt.

1864 erbrachte dann Michael Faraday als Erster den Nachweis, dass Licht und Magnetismus physikalisch miteinander verbunden sind. Er entdeckte den magnetoptischen Effekt, der noch heute als Faraday-Effekt bezeichnet wird.

James Clerk Maxwell formulierte dann 1864 die Grundgleichungen der Elektrodynamik und erkannte, dass die Existenz freier elektromagnetischer Wellen dadurch vorhergesagt wurde.

Da diese Wellen die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit wie die bekannte Lichtgeschwindigkeit hatte schloss er daraus, dass Licht wohl eine elektromagnetische Welle sei.

Maxwell vermutete jedoch (so wie alle Physiker damals), dass sich Wellen nicht im leeren Raum existieren können. Damals nannte man das Medium, das den Weltraum ausfüllen müsse schlichtweg Äther.

Die darauf aufbauende elektromagnetische Lichttheorie schien damit zu Beginn des 19. Jahrhunderts beinahe alle Fragen zum Licht beantwortet zu haben. Da sich der Äther trotz mehreren Experimenten nicht nachweisen ließ, öffnete das den Weg zur speziellen Relativitätstheorie.

Eine neue, radikalere Sichtweise des Lichts entstand, gestützt durch die Quantenhypothese von Albert Einstein und Max Planck

Der Kern dieser These ist der Welle-Teilchen-Dualismus.

Er beschreibt Licht nicht ausschließlich als Welle oder Teilchen, sondern als Quantenobjekt.

Demnach ist Licht eine Welle, die in kleinen Stößen (Quanten) ausgesendet wird.

Auf dieser Basis entstand Anfang des 20. Jahrhunderts schließlich die Quantenphysik und später die Quantenelektrodynamik, die bis heute unsere Auffassung von Licht prägt.

Licht ist Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung.

Im engeren Sinne betrachtet, ist Licht genau der Teil der Strahlung, den wir Menschen mit den Augen erfassen können.

Im weiteren Sinne umfasst Licht auch elektromagnetische Wellen, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Dazu gehören kurze Wellenlängen (Ultraviolett) und größere Wellenlängen (Infrarot, Rundfunk- und Radarwellen).

Nach dem Modell der Wellenoptik breitet sich Licht von einer strahlenden Quelle – wie zum Beispiel einer LED oder der Sonne – wellenförmig aus. In etwa, als wenn Sie einen Stein in einen See werfen und beobachten, wie sich die wellenförmigen Bewegungen des Wassers ausbreiten.

Die Strahlenoptik beschreibt Licht hingegen als eine geradlinige Ausbreitung durch „Lichtstrahlen“.

In der Quantenphysik wird Licht hingegen als ein Protonenstrom („Lichtteilchen“) beschrieben.

Wie entsteht Licht?

Licht entsteht durch die Umwandlung von Energie.

In der Sonne entsteht Licht durch das Verschmelzen von Wasserstoffatomen zu Helium. 

In einer Glühlampe wird der Wolframfaden durch elektrischen Strom erhitzt, bis er glüht. 

Bei LED – Leuchten wird Licht durch ein Halbleitermaterial erzeugt. Mehr dazu erfahren Sie im Beitrag: Wie funktionieren LEDs?

Was ist ein Lichtspektrum?

Lichtspektrum

Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegen zwischen 380 (violett) – 780 Nanometer (rot).

Innerhalb dieses Bereichs liegen alle Farben, die wir sehen können. Man nennt es das sichtbare Spektrum oder auch Lichtspektrum.
Jede Spektralfarbe entspricht einer bestimmten Wellenlänge.
Zum Beispiel sind rote Farbwellen sehr lang, während blaue Farbwellen eher kurz sind.
Dazwischen sind die Farbeindrücke fließend: von Blauviolett bis Orange.

Das Spektrum können Sie am besten an einem Regenbogen beobachten:

Scheint Sonnenlicht durch eine Regenwolke, wird das Licht in seine einzelnen Bestandteile aufgespalten.

Außerhalb dieses Bereichs kann das menschliche Auge keine Strahlung wahrnehmen, deswegen sind Röntgen-, Ultraviolett-, Infrarot- und Gammastrahlen für uns nicht sichtbar.

Lichtspektrum im Regenbogen
Newtons Entdeckung des Lichtspektrums

Sir Isaac Newton entdeckte 1671, dass sich das weiße Sonnenlicht aus 5 Farben zusammensetzt: Violett, Blau, Grün, Gelb und Rot.

Bei seinen Experimenten richtete Newton einen dünnen Lichtstrahl durch ein Loch in einem Fensterladen in einen dunklen Raum.
Dieser traf auf ein Glasprisma und projizierte die austretenden Strahlen auf die gegenüberliegende Wand.

Dadurch wurde das Lichtspektrum sichtbar und Newton erkannte, dass sich weißes Licht aus allen Spektralfarben zusammensetzt.

Was hat Licht mit Farben zu tun?

Natürliche Farben sind relativ. Der Mensch kann nur die Farben sehen, die in einer bestimmten Beleuchtungssituation reflektiert werden.

Licht spielt auch eine große Rolle bei der Wahrnehmung der Farbe durch unsere Augen. Die Lichtquelle bestimmt, wie unsere Augen die Farbe sehen. Der Mensch nimmt Farben bzw. farbige Gegenstände nur dann wahr, wenn die entsprechenden Farben auch im Spektrum der Lichtquelle vorhanden sind.

Fällt Licht auf ein Objekt, wird ein Teil des Spektrums von der Oberfläche absorbiert und ein anderer Teil reflektiert. Unser Auge nimmt aber nur die reflektierten Farben wahr. Ein Objekt wird zum Beispiel von uns als grün wahrgenommen, weil die Wellen des grünen Lichts reflektiert werden und in unser Auge gelangen.

Sonnenlicht enthält alle Spektralfarben, deswegen lässt es auch die Farben der beleuchteten Gegenstände ungekünstelt aussehen. Oder anders ausgedrückt: Die Farbwiedergabe ist optimal.

unterschiedliche Farbwiedergabe CRI

Ein einfaches Beispiel:

Betrachten wir ein rotes Hemd im Sonnenlicht, erscheint uns die Farbe sehr natürlich. 

Wenn wir es dann aber mit hineinnehmen und das Hemd unter einer Leuchte betrachten, erscheint uns die Farbe vermutlich dunkler.

Das liegt an der veränderten Farbwiedergabe der Lichtquelle.

Es gibt neben der Sonne auch andere Lichtquellen mit sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften: Halogenlampen, Leuchtstofflampen und an allererster Stelle die LED.

Natriumdampf-Niederdrucklampen (eine konventionelle Straßenlampe, die gelbes Licht ausstrahlt) fehlen hingegen die Spektralfarben Blau, Grün und Rot. Deshalb erscheinen von ihnen beleuchtete Gegenstände in einem unifarbenen gelben Licht.

Fun Fact

Werden alle Farben reflektiert, so erscheint der Gegenstand weiß.
Werden alle Farben absorbiert, so erscheint der Gegenstand schwarz.

Schon gewusst?

Wussten Sie zum Beispiel, dass sich durch Licht Hinweise auf Atmosphäre und Vegetation von fremden Planeten bestimmen lassen?

Das Very Large Telescope in Chile enthält neben hochauflösenden Kameras auch einen sog. Spektrografen, der das empfangene Licht in seine verschiedenen Wellenlängen aufspalten kann.

Oder einfach ausgedrückt: Er zerlegt das Licht in seine Bestandteile. 

Absorptionslinien durch Spektograf

Und es kommt noch besser:

Der hochauflösende Spektograf zeigt, dass manche Wellenlängen im Farbspektrum der Sonne fehlen. Diese fehlenden Wellenlängen werden Absorptionslinien genannt.

Klingt erstmal nicht so spektakulär, aber:

Diese dunklen Linien entstehen, weil Atome in den äußeren Schichten der Sonne bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren. Insbesondere für die Astronomie sind die Absorptionslinien wichtig, denn: verschiedene Atome und Moleküle absorbieren jeweils ganz bestimmte Wellenlängen. So entsteht ein individueller Fingerabdruck für jedes chemische Element.

Indem das Spektrum vermessen wird, lässt sich nachvollziehen, durch welche chemischen Elemente das Licht zuvor beeinflusst wurde.

Solche Beobachtungen könnten sowohl die Zusammensetzung und die Struktur der Atmosphäre so genannter Exoplaneten enthüllen.

Das Licht und die deutsche Gesetzgebung

Im Sinne des Bundes – Immissionsschutzgesetzes zählt Licht als ein Umweltfaktor für Immissionen (=Einwirkungen auf die Umwelt) und Emissionen (= Ausstoß).

Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Leben von Menschen und Tieren oder sogar technische Prozesse behindern. Deswegen sind in der „Licht-Richtlinie“ der Länder Maßstäbe zur Beurteilung der „Aufhellung“ und Blendung festgelegt.

Die Umwelt- und Immissionsschutzbehörden der Länder sind jeweils für die Richtlinie zuständig.

Mögliche negative Auswirkungen sind:

  • Einflüsse auf die Tierwelt:

Nachtaktive Insekten werden von Licht angezogen. Es kann auch den Vogelflug von Zugvögeln stören.

  • Einflüsse auf die Verkehrssicherheit:

Blendungen können leicht durch falsch eingestellte Scheinwerfer oder großflächigen Beleuchtungen neben Straßen auftreten.

  • Lichtverschmutzung:

Bei Lichtverschmutzung entstehen sichtbare Lichtkegel über den Städten. 

Das passiert, wenn Licht nicht professionell gelenkt wird, sondern ungehindert in die Atmosphäre strahlt.

Nicht nur astronomische Beobachtungen werden dadurch behindert, auch der Romantiker wird seines Sternenhimmels beraubt.

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Vom 03. bis zum 08. März 2024 findet auf dem Frankfurter
Messegelände die Weltleitmesse für Licht und Gebäudetechnik,
die light + building statt.

Wir freuen uns über zahlreiche begeisterte Besucher.
Ihr findet uns in der Halle 4.1 am Stand E60.