lys

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Sollys falder gennem lamellerne i en stald

Lys er en form for elektromagnetisk stråling . I snævrere forstand menes kun de dele af hele det elektromagnetiske spektrum, der er synlige for det menneskelige øje . I en bredere forstand er også elektromagnetiske bølger med kortere bølgelængde ( ultraviolet ) og længere bølgelængde ( infrarød ) inkluderet.

Lysets fysiske egenskaber er beskrevet af forskellige modeller : I stråleoptik illustreres den lige udbredelse af lys ved "lysstråler"; I bølgeoptik understreges lysets bølgetype, hvilket også kan forklare diffraktion og interferensfænomener . Endelig beskrives lys i kvantefysikken som en strøm af kvanteobjekter, fotoner (også kaldet "lyspartikler" til illustration). Kvantelektrodynamik giver en komplet beskrivelse af lys. I et vakuum formerer lys sig med den konstante lyshastighed på 299.792.458 m / s. Når lyset rammer noget, kan det spredes , reflekteres , brydes og sænkes eller absorberes .

Lys er den passende sansestimulering for det menneskelige øje. Lysets intensitet opfattes som lysstyrke , den spektrale sammensætning som farve .

Synligt lys er en del af det elektromagnetiske spektrum. (Fra korte til lange bølgelængder: gammastråler , røntgenstråler , UV , synligt lys, IR , mikrobølger , radiobølger . Bølgelængderne er kun omtrentlige.)

historie

Lasere i forskellige farver

Indtil langt ind i moderne tid var det stort set uklart, hvad lys egentlig var. Det blev undertiden antaget, at lysstyrken fylder rummet uden nogen tidsforsinkelse. Pythagoras mente, at "varme synstråler" stammer fra øjnene og bliver skubbet tilbage af andre genstande. Hvis dette var sandt, burde mennesker også kunne se i mørket. [1] Der har imidlertid været ideer siden oldtiden om, at lys udsendes fra lyskilden med en begrænset hastighed.

Galileo Galilei var en af ​​de første, der for alvor forsøgte at måle lysudbredelsens hastighed , men uden resultat. De midler, han havde til rådighed, var alt for rå til det. Kun Ole Rømer lykkedes med at gøre dette på grundlag af observationsdata fra Jupiters måner i 1675. Afvigelsen af ​​hans måleværdi fra den faktiske værdi (ca. 2,3 · 10 8 m / s) var omkring 30%. Rømers virkelige præstation var imidlertid at bevise, at lyset formerer sig med begrænset hastighed. Rømers målte værdi blev mere og mere præcis i løbet af de følgende 200 år ved mere og mere forfinede procedurer (især af Hippolyte Fizeau og Léon Foucault ). Lysets natur forblev imidlertid uforklarlig. I 1600 -tallet forsøgte Isaac Newton at forklare lysets formering gennem bevægelse af små partikler med sin corpuskuleteori . Dette gjorde det muligt at forstå refleksion , men ikke nogle andre optiske fænomener, såsom diffraktion , som klart er et bølgefænomen. Samtidig grundlagde Christiaan Huygens og andre bølgeteorien om lys , men det var først i begyndelsen af ​​1800 -tallet, at det blev mere og mere populært efter Thomas Youngs dobbeltspalteeksperimenter .

Michael Faraday var den første, der i 1846 beviste, at lys og magnetisme er to sammenkoblede fysiske fænomener. Han offentliggjorde den magneto-optiske effekt, han havde fundet, som nu er kendt som Faraday-effekten [2] , under titlen Om magnetisering af lys og eksponering af linjer med magnetisk kraft . [3]

I 1864 formulerede James Clerk Maxwell de grundlæggende ligninger for elektrodynamik, der stadig er gældende i dag, og erkendte, at de forudsagde eksistensen af ​​frie elektromagnetiske bølger . Da deres forudsagte forplantningshastighed faldt sammen med den kendte lyshastighed, konkluderede han, at lyset sandsynligvis var en elektromagnetisk bølge [4] . Han mistænkte (som næsten alle fysikere på det tidspunkt), at denne bølge ikke kunne eksistere i tomt rum, men havde brug for et formidlingsmedium. Dette medium, der skulle fylde hele universet, blev kaldt ether .

Med den elektromagnetiske lysteori baseret på det syntes næsten alle spørgsmål om lys at være afklaret i slutningen af ​​1800 -tallet. På den ene side kunne den postulerede ether imidlertid ikke bevises (se Michelson-Morley-eksperimentet ), hvilket i sidste ende åbnede døren til den særlige relativitetsteori . På den anden side, blandt andet den foto effekt syntes at modsige den bølge lysets natur. Dette gav anledning til en radikalt ny måde at se lys på, baseret på Max Plancks og Albert Einsteins kvantehypotese. Kernen i denne hypotese er bølge-partikel-dualismen , som nu ikke længere beskriver lys som en bølge eller udelukkende som en partikel, men som et kvanteobjekt. Som sådan forener den egenskaberne af bølger og partikler uden at være den ene eller den anden og undgår dermed vores konkrete opfattelse. Dette gav anledning til kvantefysik i begyndelsen af ​​det 20. århundrede og senere kvanteelektrodynamik , som stadig er vores forståelse af lysets natur i dag.

videnskab

fysik

De vigtigste modeller til beskrivelse af lys er præsenteret nedenfor. Ligesom alle modeller inden for fysik er dem, der er angivet her, begrænsede i deres omfang. Så vidt vi ved i dag, kan en komplet beskrivelse af fænomenet "lys" kun leveres af kvanteelektrodynamik.

Lys som en elektromagnetisk bølge

Lineær polariseret elektromagnetisk bølge i et vakuum. Den monokromatiske bølge med bølgelængde spredes i x -retning, det elektriske feltstyrke (i blå) og den magnetiske fluxdensitet (i rødt) er vinkelret på hinanden og på forplantningsretningen.

I klassisk elektrodynamik forstås lys som en højfrekvent elektromagnetisk bølge. I en snævrere forstand er "lys" kun den del af det elektromagnetiske spektrum, der er synligt for det menneskelige øje, dvs. bølgelængder mellem ca. 380 og 780 nm. Dette svarer til frekvenser på ca. 385 til 790 THz . Det er en tværgående bølge , amplituden er givet af vektoren i det elektriske felt eller magnetfeltet . Udbredelsesretningen er vinkelret på den. Retningen af Feltvektor eller Feltvektor kaldes polariseringsretningen . I tilfælde af upolariseret lys består strålingsfeltet af bølger i alle polarisationsretninger. Som alle elektromagnetiske bølger formerer sig synligt lys sig også i et vakuum ved lysets hastighed slutningen.

Bølge -ligningen for denne elektromagnetiske bølge kan udledes af Maxwells ligninger . Dette resulterer i et simpelt forhold mellem lysets hastighed og magnetfeltkonstanten og det elektriske felt konstant :

i vakuum,

i mediet.

Det er klart, at lysets hastighed - mere præcist: lysets fasehastighed - i medier afhænger af deres materialegenskaber. Disse kan være i brydningsindekset opsummeres. Generelt er det frekvensafhængigt, som kaldes dispersion . Dette er blandt andet grundlaget for prismenes evne til at opdele lys i dets spektrale komponenter. Ved normal dispersion brydes kortbølget blåt lys (<450 nm) stærkere end langtidsrødt lys (> 600 nm).

Ray optik

Stråleoptik (også geometrisk optik) gør brug af den tilnærmelse, at lysets udbredelse kan illustreres ved lige "stråler". Denne tilnærmelse er berettiget frem for alt, når dimensionerne af testarrangementet er store i forhold til lysets bølgelængde. Så kan alle diffraktionsfænomener negligeres. Forbindelsen mellem bølgeoptik og stråleoptik er bølgevektoren , hvis retning svarer til lysstrålens retning. Stråleoptik er særligt velegnet til at beskrive fænomener som lys og skygge , refleksion eller brydning . Derfor kan funktionen af ​​mange optiske enheder ( pinhole -kamera , forstørrelsesglas , teleskop , mikroskop ) forklares med det. Især billeddannelseslovene er også grundlaget for at forstå brudapparatet i det menneskelige øje.

Principper for stråler

  • Lysstråler formerer sig altid i en lige linje og ændrer kun deres retning, når de rammer et legeme (gennem refleksion, brydning eller spredning), uanset lysets afbøjning af tunge masser ( gravitationslinseffekt ) observeret i astronomi .
  • Lysstråler kan trænge ind i hinanden uden at påvirke hinanden.
  • Lysvejen er reversibel. Det betyder, at hver strålevej ville tilfredsstille alle optiske love, selvom lysets udbredelsesretning var omvendt.
afspejling
Reflektion og brydning ved grænsefladen mellem to transparente medier med forskellig optisk densitet

Lys reflekteres fra reflekterende overflader (bare metal, vandoverflade) i henhold til refleksionsloven . Den indgående og udgående stråle samt vinkelret på den reflekterende overflade ligger i et plan. Indfaldsvinklen og refleksionsvinklen er lig med hinanden. Forholdet mellem den reflekterede lysintensitet og den indfaldende lysintensitet omtales som refleksionsgraden og er afhængig af materialet og bølgelængden. Reflektansen angiver, hvor stor en procentdel af lysstrømmen, der falder på en overflade, reflekteres. [5]

brydning

Lys brydes ved grænsefladen mellem to medier med forskellig optisk densitet, dvs. en stråle ændrer sin retning ved denne grænseflade. (For fuldstændighedens skyld skal det siges, at refleksionen på en sådan grænseflade altid sker i større eller mindre omfang.) Snellius ' refraktionslov siger:

Hændelsen og den brydte stråle samt vinkelret på grænsefladen ligger i et plan. Vinklen mellem vinkelret og lysstrålen er mindre i mediet, der har det højere brydningsindeks.

De nøjagtige vinkler kan gennem brydningsindekserne af de involverede medier beregnes:

.

Hvis den indfaldende stråle fra det optisk tættere medium rammer grænsefladen i en lav vinkel, er der ingen reel vinkel for den brydte stråle, der opfylder denne betingelse. I dette tilfælde forekommer total refleksion i stedet for brydning.

Bølgeoptik

Diffraktion af en plan bølge ved en dobbelt spalte: En elementær bølge stammer fra hver af de to slidser, som begge forstyrrer det typiske diffraktionsmønster for en dobbelt spalte.

Bølgeoptik er baseret på Huygens og Fresnel -princippet.

Hvert punkt på en bølgefront er udgangspunktet for en elementær bølge. En bølgefront skyldes superpositionen af ​​disse elementære bølger.

I denne sammenhæng betyder elementærbølge en sfærisk bølge, der udgår fra et bestemt punkt. Wavefronts er overfladerne i den samme fase. Afstanden mellem to på hinanden følgende bølgefronter er således bølgelængden. Bølgefronterne på en plan bølge er planer, elementbølgernes bølgefronter er koncentriske sfæriske overflader. Udbredelsesretningen (dvs. bølgevektorens retning) danner altid en normal til bølgefronten. Med bølgeoptik kan alle fænomener diffraktion og interferens forstås. Men den er også velegnet til at udlede refleksionsloven og refraktionsloven. Bølgeoptikken modsiger ikke stråleoptikken, men udvider og uddyber dem.

Historisk set forventede bølgeoptik af Huygens og Fresnel en væsentlig viden om elektrodynamik: lysbølger er elektromagnetiske bølger.

Fotoner

I kvantefysikken forstås lys ikke længere som en klassisk bølge, men som et kvanteobjekt. Ifølge dette består lyset af individuelle diskrete energikvanta, de såkaldte fotoner. En foton er en elementarpartikel, mere præcist en elementær boson med en masse på 0, som altid bevæger sig med lysets hastighed følelsesmæssig.

Det bærer en energi på

det er lysfrekvensen og Plancks handlemængde med .

Fotonen har et momentum på

hvori er lysets bølgelængde.

En foton absorberes og udsendes som helhed eller slet ikke. Så det er "tælleligt" som en partikel. Ikke desto mindre forbliver alt, hvad der er blevet sagt her om lysets bølgeegenskaber, gyldigt. Denne mærkelige opførsel af fotonerne, som også vises af alle andre kvanteobjekter, blev beskrevet med slagordet "bølge-partikel-dualisme": kvanteobjekter skal hverken forstås som klassiske partikler eller som klassiske bølger. Afhængigt af synspunktet viser de karakteristika ved det ene eller det andet.

I nutidens mest almindelige fortolkning af kvantemekanik ( københavnsk fortolkning ) kan den præcise placering af en foton ikke forudsiges på forhånd . Man kan kun komme med udsagn om sandsynligheden for, at en foton vil ramme et bestemt punkt. Denne sandsynlighedstæthed er givet ved kvadratet af størrelsen af lysbølgens amplitude.

Historisk blev den kvantemekaniske beskrivelse af lys nødvendig, fordi nogle fænomener ikke kunne forklares med rent klassisk elektrodynamik:

  • Hvis man forestiller sig en termisk lyskilde (ideelt set en sort krop ) som en ophobning af mange atomoscillatorer, der er i ligevægt med strålingsfeltet, ville en klassisk afledning føre til en "UV-katastrofe", kortbølgestråling skulle være i det sorte spektrum Krop meget stærkere repræsenteret, end det er. ( Rayleigh Jeans Law )
  • Klassisk elektrodynamik ville forudsige, at energien af ​​elektroner, der frigives i den fotoelektriske effekt, er proportional med intensiteten af den absorberede stråling. I virkeligheden er det (bortset fra en konstant summand) proportional med frekvensen af strålingen. Denne forbindelse kan ikke forstås klassisk.
  • Følsomme detektorer ( f.eks. Fotomultiplikatorer ) modtager ikke en konstant, ensartet lav intensitet i tilfælde af svag bestråling, men derimod individuelle signaler, der er meget snævert begrænset hvad angår både rum og tid.
  • Spektret af røntgenbremsestråling har en grænse for korte bølger, der er direkte relateret til energien fra de elektroner, der blev brugt til at generere dem.

Interaktion med stof

Ud over de fænomener, der allerede er beskrevet tidligere i denne artikel

der er mange andre vekselvirkninger mellem lys og stof.

  • Absorption : Energien fra det indfaldende lys sluges af en krop. Dette kan føre til, at en elektron hæves til et højere energiniveau, kroppen kan varme op osv. Hvis strålingen absorberes uanset dens bølgelængde, fremstår kroppen sort. Hvis kun en del af spektret absorberes, bestemmer de resterende dele af spektret kroppens farve ( subtraktiv farveblanding ). I tilfælde af elektronisk excitation kan energien også udsendes igen i form af stråling. Man taler om spontan emission, om fluorescens eller - hvis processen klart er forsinket i tide - om phosphorescens .
  • Brydning : Nogle materialer deler en lysstråle i to stråler med forskellig polarisering.
  • Optisk aktivitet : Visse medier kan rotere polariseringsplanet for polariseret lys.
  • Fotoeffekt : Fotonerne frigiver elektroner fra det bestrålede legeme.
  • Spredning : Lyset ændrer dets udbredelse, dog ikke i en defineret retning som med refleksionen, men diffust i alle mulige rumlige retninger. Afhængigt af spredningslegemet skelnes der mellem Compton -spredning (på frie elektroner), Rayleigh -spredning (på bundne elektroner uden energioverførsel), Ramanspredning (på bundne elektroner med energioverførsel), Mie -spredning (på partikler, hvis ekspansion er i bølgelængdenes størrelsesorden).

Lyskilder

Kontinuerligt spektrum
Linjespektrum (her: emissionsspektrum for brint )

I princippet skelnes der mellem termiske og ikke-termiske radiatorer. Førstnævnte opnår energi til strålingsemission fra deres partiklers termiske bevægelse. Eksempler er stearinlysflammer, glødende kroppe (glødetråd af glødelampe ) og solen. Spektret af et termisk radiator er kontinuert, dvs. alle bølgelængder forekomme, hvorved spektralkomponenterne afhænger udelukkende af temperaturen ifølge Plancks stråling , men bortset fra den spektrale emissivitet , ikke på materialet af radiatoren.

I modsætning hertil har ikke-termiske lyskilder ikke et kontinuerligt spektrum, men et linje- eller båndspektrum. Det betyder, at der kun udsendes meget specifikke bølgelængder. Linjespektre forekommer med gasudladningsrør , båndspektre med lysemitterende dioder , polarlys eller ildfluer . Energikilderne til strålingen er elektrisk strøm, partikelstråling eller kemiske reaktioner. Linjespektre er ofte karakteristiske for visse stoffer.

Laseren indtager en særlig position blandt lyskilderne. Laserlys er næsten monokromatisk (det består næsten udelukkende af en bølgelængde), mere eller mindre sammenhængende (der er et fastfaseforhold mellem flere bølgetog) og ofte polariseret .

Cherenkov -stråling skyldes bevægelse af ladede partikler gennem et transparent dielektrikum, når partikelhastigheden er højere end lysets hastighed i dielektrikummet. Det er analogen til overlydsbrag og kan iagttages, for eksempel i svømmebassiner reaktorer og afkøling pools i kernekraftværker .

Lysmodtager

  • Den intakte synsfornemmelse er det enkleste bevis. Derfor spiller øjet en vigtig rolle i den direkte observation af processer, hvor lys er involveret.
  • Den fotografiske film spiller en stor rolle i udforskningen af ​​lysets natur: man kan dokumentere de mindste lysintensiteter for fjerne stjerner og deres spektre gennem lang eksponering. Fotografiske lag kan sensibiliseres for forskellige områder af spektret. I mellemtiden erstattes fotografisk film imidlertid mere og mere af billedsensorer .
  • Optiske strålingsdetektorer bruger for det meste den eksterne (fotocelle, vidicon , billedforstærker , fotomultiplikator) og interne ( halvlederdetektorer som fotodiode , fototransistor , fotoresistor ) fotoelektrisk effekt . Komplekse sensorer ( linjesensorer og billedsensorer), der også fungerer som optagelseselementer i scannere og digitale kameraer , fungerer også med halvlederdetektorer. Farvesensorer arbejder med flere fotodetektorer bag forskellige filtre.
  • Fluorescens kan bruges til at detektere ultraviolet og infrarød (efter to-fotonabsorption ) ved at evaluere det synlige lys, der genereres.
  • Lys kan også detekteres gennem dets termiske effekt. Bolometerne, der bruges i astronomi til at måle strålingseffekten fra astronomiske lyskilder og termiske effektmålere til laserstråler med høj effekt er baseret på dette princip.

biologi

Lys som en miljøfaktor

Absorptionsspektrum af det grønne bladpigment klorofyl a og b , hvormed planter kan absorbere lys og derefter udnytte det; se også Soret band

Ud over tilgængeligheden af ​​vand er lys den vigtigste miljøfaktor for planter, fordi det giver energi til fotosyntese . Den lysenergi, der absorberes af klorofylmolekylerne i kloroplasterne , bruges til at splitte vandmolekyler ( fotolyse ) og dermed producere reduktionsmidler til fotosyntese. Disse bruges i et andet trin til gradvist at reducere kuldioxid til glucose , som blandt andet bruges til at bygge stivelse . Oxygenet, der produceres under fotolyse, frigives til atmosfæren som en rest. Sumreaktionsligningen for fotosyntese er:

Strukturen af organiske forbindelser fra kuldioxid kaldes kuldioxid assimilation . Organismer, der er i stand til at gøre dette ved hjælp af lys, kaldes foto - autotrof . Ud over karplanter omfatter de også mos , alger og nogle bakterier , såsom cyanobakterier og lilla bakterier . Alle heterotrofiske organismer er afhængige af denne assimilering, fordi de kun kan opfylde deres energibehov fra organiske forbindelser, som de skal indtage med mad.

Konkurrencen mellem planter om lys bliver mærkbar i skovens "etages struktur" og den tilhørende specialisering af lys- og skyggeplanter eller i sæsonens sekvens af forskellige aspekter . I vandområder bruges kun det let oversvømmede toplag, næringslaget , til dannelse af biomasse og ilt, hovedsageligt gennem planteplankton . Fordi mange dyr og encellede organismer finder gode levevilkår her på grund af den høje fødeforsyning og det forholdsvis høje iltindhold i vandet, tiltrækkes de af lyset.

Stor ildflue ( Lampyris noctiluca ), hun, når den lyser op i midsommeren

Følelsen af ​​lys eller syn er en af ​​de vigtigste sanser for mange dyr. Det bruges til orientering i rummet, til at styre dag-nat-rytmen , til at genkende farer, til at spore bytte og til at kommunikere med bestemte. Derfor har de mest forskelligartede lysfølende organer udviklet sig i udviklingsforløbet i de mest forskellige taxaer . Disse spænder fra de enkle øjenpletter i Euglena til simple pigmentfelter til de komplekst strukturerede sammensatte øjne og linseøjne . Kun få dyr er fuldstændig ufølsomme over for lysstimuleringer. Dette er kun tilfældet, når de lever i fuldstændigt mørke, som huledyr.

Det er en fordel for både rovdyr og bytte ikke at blive set. Tilpasninger til dette er camouflage og nataktivitet . Overraskende nok har mange levende væsener på den anden side udviklet evnen til at skinne selv. Det mest berømte eksempel er ildfluen . Dette fænomen med bioluminescens kan også findes i dybhavsfisk , selvlysende krabber , svampe ( Hallimasch ) eller bakterier. Fordelene ved bioluminescens forklares hovedsageligt med kommunikation inden for arter, afskrækker rovdyr og tiltrækker bytte.

Lys som en stimulans for sanserne

Skematisk længdesnit gennem det menneskelige øje

Lyset, der falder ind i det menneskelige øje, projiceres på nethinden ved hjælp af brydeapparatet (bestående af hornhinden , forreste og bageste kamre i øjet, linsen og glaslegemet ). En ægte, med oversiden er nede billede skabt der (kan sammenlignes med processen i et fotografiapparat). Dette stimulerer fotoreceptorerne (= lyssanseceller) i nethinden, som omdanner stimulus til et elektrisk signal. Dette signal sendes til hjernen via synsnerven, som nethindens individuelle nervebånd strømmer ind i. Der bliver de opadrettede billeder af vores miljø derefter "rettet ud" i realtid.

Lysintensitet opfattes som lysstyrke . Øjet kan tilpasse sig intensiteterne - mange kræfter på ti - gennem forskellige mekanismer (se tilpasning ). Den opfattede lysstyrke er relateret til den faktiske intensitet via Weber-Fechner-loven .

Lysstimulusens spektrale sammensætning opfattes som farve , hvorved det menneskelige øje kan opfatte lys med bølgelængder mellem ca. 380 nm og 750 nm. Hvis hvidt lys er delt op (med et prisme), vises bølgelængderne som regnbuens farver.

Bølgelængdeområder i spektralfarverne
(cirka) skygge bølgelængde i nm Bølgefrekvens i THz Energi E pr. Foton i eV Bølgetal i cm −1
violet 380-420 789,5-714,5 3,26-2,955 26.316-23.810
blå 420-490 714,5-612,5 2,95-2,535 23.810-20.408
grøn 490-575 612,5-522,5 2.53-2.165 20.408-17.391
gul 575-585 522,5-513,5 2.16-2.125 17.391-17.094
orange 585-650 513,5-462,5 2,12-1,915 17.094-15.385
Rød 650-750 462,5-400,5 1,91-1,655 15.385-13.333

Det skal bemærkes, at denne tabel kun gælder for monokromatisk (enkelt farve) lys. Blandede farver kan producere forskellige farveindtryk. Beispielsweise erscheint dem menschlichen Sehsinn eine Mischfarbe aus jeweils monochromatischem grünen und roten Licht gelb, während eine Mischung aus monochromatischem roten und blauen Licht als Magenta erscheint. Im Regenbogen , wo das Sonnenlicht in seine monochromatischen spektralen Bestandteile zerlegt ist, kommt Magenta als Farbe nicht vor im Gegensatz zu Gelb. Dies liegt daran, dass die Grundfarben Blau und Rot im Regenbogen weit auseinander liegen, weshalb eine Mischung von Magenta auf natürlichem Wege nicht zustande kommt. Im Gegensatz dazu liegen Grün und Rot direkt nebeneinander, weswegen unser Auge denkt, dass es die Farbe Gelb sieht. [6] Die Farbe Braun, die allgemein für eine Mischfarbe gehalten wird, kann dagegen durch einfarbiges Orange erzeugt werden, wenn dessen Intensität im Vergleich zur Umgebung schwach ist. [7]

Empfindlichkeitsverteilung der menschlichen Fotorezeptoren in Stäbchen (schwarz gestrichelt) und den drei Zapfentypen (S, M und L).

Die Netzhaut des Auges ist mit verschiedenen Sinneszellen ausgestattet: Die Stäbchen weisen eine breite spektrale Ansprechbarkeit auf und zeichnen sich durch eine hohe Sensitivität aus. Sie sind daher auf das Sehen in der Dämmerung spezialisiert, können jedoch keine Farben unterscheiden. Die Zapfen hingegen, die an stärkere Intensitäten angepasst sind, kommen in drei verschiedenen Typen vor, die jeweils bei einer anderen Wellenlänge ihr Reaktionsoptimum haben. Ihre Verschaltung ermöglicht letztlich das Farbensehen .

Sowohl bei den Stäbchen als auch bei den Zapfen beruht der Sehvorgang auf der Absorption von Photonen durch das Sehpigment (im Falle der Stäbchen: Rhodopsin ). Der Ligand Retinal macht dabei eine Isomerisierung durch, die dazu führt, dass das Rhodopsin zerfällt und die Signalkaskade der Phototransduktion in Gang setzt. Die dadurch verursachte Hyperpolarisation der Zellmembran der Stäbchen und Zapfen bewirkt ein elektrisches Signal, das an die nachgeschalteten Nervenzellen weitergegeben wird.

Neben Zapfen und Stäbchen gibt es einen dritten Lichtrezeptor, die melanopsinhaltigen Ganglienzellen. Diese Rezeptoren reagieren besonders empfindlich auf blaues Licht und sind an der Steuerung der inneren Uhr beteiligt. Ihre Entdeckung Anfang der Jahrtausendwende forcierte die Entwicklung von tageslichtähnlichen Beleuchtungskonzepten für Innenräume, wie bspw. das Human Centric Lighting . [8]

Die Leistungen der Lichtsinnesorgane anderer Lebewesen unterscheiden sich zum Teil erheblich von denen des Menschen. Die meisten Säugetiere haben ein eher unterentwickeltes Farbensehen. Vögel hingegen verfügen über mehr Zapfentypen und können dementsprechend mehr Farben unterscheiden als der Mensch. Bienen sind zwar mehr oder weniger unempfindlich für langwelliges (rotes) Licht, können aber das sehr kurzwellige UV-Licht wahrnehmen, das für den Menschen unsichtbar ist. Außerdem können sie die Polarisationsrichtung des Lichts wahrnehmen. Dies hilft ihnen bei der Orientierung im Raum mithilfe des Himmelblaus . Manche Schlangen wiederum können die ebenfalls für uns unsichtbaren IR-Strahlen mit ihren Grubenorganen wahrnehmen.

Chemie

Bei organischen Farbstoffen können delokalisierte π-Elektronen durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert.

Bei anorganischen Farbstoffen können auch Elektronen aus den d-Orbitalen eines Atoms in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt werden (siehe Ligandenfeldtheorie ). Des Weiteren können Elektronen ihre Position zwischen Zentralion und Ligand innerhalb eines Komplexes wechseln (siehe auch Charge-Transfer-Komplexe und Komplexchemie ).

Größen und Einheiten

Begriffe der Lichtmessung
  • Die Lichtgeschwindigkeit (c) ist unabhängig von der Bewegung der Quelle und sinkt in Medien gegenüber der Vakuumlichtgeschwindigkeit ab. Sie beträgt im Vakuum 299.792.458 Meter pro Sekunde und ist dort auch unabhängig von der Bewegung des Beobachters. Das Lichtjahr (Lj, ly) ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Es wird in der Astronomie als Längeneinheit verwendet.
  • Die Lichtfarbe ist von der spektralen Zusammensetzung des Lichtes bestimmt. Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Energie der Lichtquanten.
  • Die Polarisation des Lichtes beschreibt die Orientierung der elektrischen und magnetischen Feldvektoren des Lichtes im Raum. Das flach an dielektrischen Flächen reflektierte Licht sowie das Licht des blauen Himmels ist teilweise linear polarisiert, während das Licht von Glühlampen und der Sonne keine Vorzugsrichtung der Polarisation aufweist. Linear und zirkular polarisiertes Licht spielen in der Optik und Lasertechnik eine große Rolle.
  • Lichtstrom ( Lumen ) gibt an, wie viel Licht eine Lichtquelle in alle Richtungen abgibt.
  • Lichtmenge (Lumensekunde) ist der über die Zeit integrierte Lichtstrom.
  • Lichtstärke ( Candela ) ist der Lichtstrom pro Raumwinkel. Durch Bündelung kann der Lichtstrom erhöht werden.
  • Leuchtdichte (Candela/m²) ist die Lichtstärke pro Fläche eines Lichtemitters (z. B. Glühfaden, Lichtbogen, Leuchtdiode).
  • Beleuchtungsstärke ( Lux ) beschreibt, wie viel Licht auf eine Fläche fällt. Sie wird mit einem Luxmeter gemessen.
  • Die Farbtemperatur (Kelvin) ist die der Temperatur eines Schwarzen Strahlers gleicher Temperatur gleichende Lichtfarbe einer Lichtquelle, um diese hinsichtlich ihres Farbeindruckes zu klassifizieren. Je höher der Wert, desto kühler oder blau-weißer ist das Licht.

Der Strahlungsdruck (Newtonsekunde) ist die physikalische Kraftwirkung des Lichtes auf Teilchen oder Gegenstände und spielt aufgrund seines geringen Betrages kaum eine Rolle.

Licht in Gesellschaft und Religion

Licht ist, wie Feuer , eines der bedeutendsten Phänomene für alle Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht aus Lichtquellen ermöglicht dem Menschen heutzutage ein angenehmes und sicheres Leben auch bei terrestrischer Dunkelheit ( Nacht ) und in gedeckten Räumen (Höhlen, Gebäuden). Technisch wird die Funktionsgruppe, die Licht erzeugt, als Lampe, Leuchtmittel oder Lichtquelle bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eine Leuchte .

Als Achluophobie , auch als Nyktophobie (von altgriechisch: νύξ, νυκτός – nýx, nyktós – f. = die Nacht) oder als Skotophobie (von σκότος, σκότου – skótos – m. = die Dunkelheit) bezeichnen Psychiater die ausgeprägte (z. T. krankhafte) Angst vor der Dunkelheit. Die Phobie kommt bei Kindern häufig vor, ist aber auch bei Erwachsenen anzutreffen. Eine als weniger gravierend bewertete Form der Achluophobie ist der Pavor nocturnus .

Im Christentum steht das Licht in der Selbstbezeichnung Jesu Christi – „ Ich bin das Licht der Welt .“ ( Joh 8,12 EU ) – für die Erlösung des Menschen aus dem Dunkel der Gottesferne. Ebenso wird auch auf Luzifer als den Lichtbringer oder Lichtträger referiert. In der biblischen Schöpfungsgeschichte ist das Licht das zweite Werk Gottes, nach Himmel und Erde. Im Requiem , der liturgischen Totenmesse, ist ein Lux aeterna enthalten. Im Buddhismus und anderen Religionen wie im allgemeinen Sprachgebrauch gibt es das Ziel der Erleuchtung . Buddha selbst wird „der Erleuchtete“ genannt. Die Kategorien „hell“ ( Antonym : „dunkel“) und „klar“ (Antonym: „nebulös“) werden zumeist positiv konnotiert . In dem Satz: „Das Licht der Aufklärung besiegte die Dunkelheit des Mittelalters .“ ist das uralte, letztlich manichäische Motiv vom „Sieg des Lichts über die Dunkelheit“ erkennbar.

Tag des Lichts

Das Internationale Jahr des Lichts war 2015 von der UNESCO gefeiert worden. Im November 2017 rief die Organisation den Internationalen Tag des Lichts [9] (englisch International Day of Light [10] ) aus, der seit 2018 jährlich am 16. Mai begangen wird.

Licht aus Sicht des deutschen Gesetzgebers

Licht zählt als ein Umwelt faktor zu den Immissionen im Sinne des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG). Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Wohn- und Schlafbedürfnis von Menschen und Tieren erheblich stören und auch technische Prozesse behindern. Entsprechend sind in der „ Licht-Richtlinie “ der Länder (in Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen) Blendung festgelegt. [11] Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- und Immissionsschutzbehörden der jeweiligen Bundesländer. Negative Auswirkungen betreffen die Verkehrs sicherheit ( Navigation bei Nacht, physiologische Blendung durch falsch eingestellte Scheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen), Einflüsse auf die Tierwelt (Anziehen nachtaktiver Insekten , Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung der Erdatmosphäre ( Lichtverschmutzung , die astronomische Beobachtungen infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels behindert).

Literatur

  • Albert Einstein : Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik . 1905, S. 132–148. Mit diesem Beitrag begründete Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts.
  • Rolf Heilmann: Licht. Die faszinierende Geschichte eines Phänomens , Herbig, München 2013, ISBN 978-3-7766-2711-4 .
  • Klaus Hentschel : Einstein und die Lichtquantenhypothese. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 58, 6, 2005, ISSN 0028-1050 , S. 311–319.
  • Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zur Quantenoptik. Beck, München 1999, ISBN 3-406-44722-8 .
  • Sidney Perkowitz: Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 1998, ISBN 3-423-33020-1 .
  • George H. Rieke: Detection of Light – From the Ultraviolet to the Submillimeter. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-81636-X .
  • Wolfgang Schivelbusch : Lichtblicke: Zur Geschichte der künstlichen Helligkeit im 19. Jahrhundert . Fischer Taschenbuch, Frankfurt am Main 2004, ISBN 978-3-596-16180-5 .

Weblinks

Commons : Licht – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Licht – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikiquote: Licht – Zitate

Videos

Einzelnachweise

  1. Die Beleuchtung mit künstlichem Licht . In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen . Nr.   01 . Frankfurt 2016, ISBN 978-3-945220-03-0 , S.   8 .
  2. Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik , 10. Auflage, Seite 906
  3. Michael Faraday: Experimental Researches in Electricity. Nineteenth Series . In: Philosophical Transactions of the Royal Society . Band 136, 1846, S. 1–20, doi : 10.1098/rstl.1846.0001 .
  4. James Clerk Maxwell: A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field . In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London . Nr.   155 , 1865, S.   459–512 .
  5. Lichtlexikon. licht.de, abgerufen am 20. August 2018 .
  6. Kein Magenta im Regenbogen. Abgerufen am 27. November 2020 .
  7. Technology Connections: Brown; color is weird. Abgerufen am 27. November 2020 (englisch).
  8. Wirkung des Lichts auf den Menschen . In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen . Nr.   19 . Frankfurt 2014, ISBN 978-3-926193-97-1 , S.   15 .
  9. News von licht.de . ( licht.de [abgerufen am 27. Oktober 2017]).
  10. Offizielle Webseite International Day of Light. Abgerufen am 27. Oktober 2017 .
  11. Lichtimmissionen – wenn Licht stört. In: Portalseite licht.de. Abgerufen am 20. August 2018 .