Phänomen Licht

Forschung

Phänomen Licht

Licht ist allgegenwärtig, aber nicht greifbar. Wir brauchen es zum Leben - ohne Licht gäbe es keine Photosynthese, kein Pflanzenwachstum, keinen Sauerstoff. Ohne Sonnenlicht wäre die Erde kalt und unbewohnbar. Licht gestaltet unseren Tagesablauf. Licht macht gute Laune und vertreibt Depressionen, Licht kann Gefühle auslösen. Was aber ist das Licht?

Der Ursprung des natürlichen Lichts

Untergehende Sonne hinter Burgruine

Sonnenlicht ist lebenswichtig

Schon vor der Zeitenwende hatten sich Gelehrte mit dem Phänomen "Licht" auseinandergesetzt. Als Helligkeit wurde es damals bezeichnet, und es wurde, da man noch keine Physik im heutigen Sinne kannte, göttlichen Kräften zugeschrieben. In der Antike nahm man an, dass Licht als Sehstrahlen vom Auge ausgehend die Objekte erfasst. Später glaubten die Philosophen, dass Objekte selbst kleine Teilchen ausstrahlen, die als Licht empfunden werden. Das Licht blieb lange ein Mysterium.

Heute weiß man: In der Sonne verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium. Dabei entstehen enorme Energiemengen. Durch diese Energie werden Atome und deren Bestandteile in Bewegung gesetzt. Dadurch lösen sich Elektronen im Atomzusammenhalt und springen auf eine andere Ebene, auf ein sogenanntes Orbital. Dort werden sie gebremst und geben ihre überschüssige Bewegungsenergie in Form von Licht ab.

Der Charakter des Lichtes

Sonnenstrahlen im Wald

Licht - ein Phänomen, das auch heute noch Rätsel aufgibt

Wie aber verhält sich das Licht? Wie durchdringt es den Raum? Welche Eigenschaften hat es? Über diese Fragen haben Gelehrte Jahrhunderte lang leidenschaftlich gestritten.

Anfang des 17. Jahrhunderts hatte der holländische Mathematiker und Astronom Willebrod Snellius (1580-1626) eine der wichtigsten Licht-Gesetzmäßigkeiten entdeckt: Die Brechung eines Lichtstrahls. Er hatte einen Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel auf einen Glasquader gerichtet und festgestellt, dass das Licht in einem anderen Winkel unter der Oberfläche des Quaders austritt. Der Lichtstrahl durchdringt das Glas gradlinig, wird aber beim Übergang von Glas in Luft gebrochen. Einfallswinkel und Brechungswinkel stehen also in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Dieses Verhältnis ist abhängig von den Stoffen, auf die der Lichtstrahl trifft.

Die Spektralfarben werden entdeckt

Sir Isaac Newton

Newton konnte beweisen, dass sich Licht aus Spektralfarben zusammensetzt

In England forschte ein halbes Jahrhundert später auch der Physiker, Mathematiker und Astronom Isaac Newton (1642 - 1727) an der University of Cambridge über das Licht. Bei einem seiner berühmtesten Versuche bohrte er ein kleines Loch in seinen Fensterladen und hängte ein dreieckiges Glasprisma davor. Der Lichtstrahl wurde auf der weißen Wand aufgefangen - und siehe da, er war bunt!

Damit bewies Newton, dass Licht nicht "weiß" ist, sondern sich aus Spektralfarben zusammensetzt. Dieses Phänomen, wie auch die von Snellius beobachtete Brechung, konnte er sich nur dadurch erklären, dass Licht aus einem Strom kleiner Teilchen, sogenannter Korpuskeln, besteht, die sich ruckartig fortbewegen. Auch die Tatsache, dass Gegenstände, auf die Licht trifft, Schatten werfen, ließ sich so erklären.

Ihm widersprach vehement der Holländer Christiaan Huygens. In seiner 1678 veröffentlichten "Abhandlung über das Licht" ging er von einer Wellentheorie des Lichts aus. Da Licht sich so schnell ausbreiten kann, müsse es aus Wellen bestehen, die sich im Äther fortbewegen, vermutete er. Jeder Punkt einer Welle erzeugte danach eine neue Welle - das erklärte auch, warum sich Lichtstrahlen nicht gegenseitig vernichten, wenn sie zusammentreffen. Auch damit ließen sich Reflektion und Brechung erklären: Bei der Brechung zum Beispiel, berührt ein Teil der Welle das Glas früher als der Rest.

Vom Teilchen zur Welle

Der Physiker James Clerk Maxwell.

Der Physiker James Clerk Maxwell

Über 100 Jahre lang war die Teilchentheorie die anerkannteste. Das änderte sich, als der englische Physiker Thomas Young 1801 Ergebnisse eines neuen Versuches verkündete: Er hatte Lichtstrahlen durch einen schmalen Spalt geschickt und festgestellt, dass es sich verbreiterte: das Licht wurde gebeugt. Danach traf es auf einen weiteren Schirm mit zwei Spalten und wurde erneut gebeugt. Hinter den Spalten trafen die Lichtwellen aufeinander - sie überlagerten und verstärkten sich oder löschten einander aus: eine Interferenz entstand. Auf dem Schirm, auf dem das Licht auftraf, waren helle und dunkle Ringe zu sehen. Dieses Phänomen ließ sich aber nur erklären, wenn das Licht tatsächlich aus Wellen besteht. Newtons Teilchentheorie schien damit überholt zu sein.

Bestätigt wurde die Wellentheorie etwa 50 Jahre später durch James Clerk Maxwell. Er sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, die sich in einem Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreiten. Diese Strahlung hat, fand man später heraus, einen bestimmten Frequenzbereich. Für das menschliche Auge ist das Licht zwischen Wellenlängen von etwa 380 und 780 Nanometern sichtbar. Damit schien der Fall endgültig klar: Das Licht besteht aus Wellen.

Teilchen und Welle

Albert Einstein bei einem Vortrag

Albert Einstein bei einem Vortrag im Jahr 1950

Anfang des 20. Jahrhunderts wies Albert Einstein nach, dass Licht, das auf eine Metalloberfläche fällt, Elektronen herausschlagen kann. Dieses Beobachtung konnte wiederum nur erklärt werden, wenn Lichtstrahlen als Teilchen zu verstehen sind.

Heute weiß man: Licht kann beide Formen annehmen: Es ist Teilchen und Welle zugleich, je nach Versuchsaufbau und Sichtweise.

Autor/in: Ute Heers

Stand: 14.08.2014, 13:00

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