Lichtstrahlen

Lichtstrahlen Physik und Lichtbündel Definition

In der Physik wird durch Lichtstrahlen beschrieben, wie sich Licht im Raum ausbreitet.

Als Lichtquelle kann dabei jegliche Strahlungsquelle dienen: Deine Lampe, Dein Bildschirm oder die Sonne. Doch egal, welche Lichtquelle Du verwendest – Dir wird wohl kaum eine begegnen, die einen einzigen Lichtstrahl aussendet. Vielmehr sendet eine Lichtquelle sehr viele Lichtstrahlen aus, die zu Lichtbündeln gruppiert werden können.

Je nach Lichtquelle können sich die Strahlen auf unterschiedliche Weise im Raum ausbreiten. Bei gewöhnlichen Lichtquellen triffst Du etwa auf divergentes Licht.

Divergentes Lichtbündel

Divergenz bedeutet „Auseinanderstreben“ und genau so kannst Du Dir ein divergentes Lichtbündel vorstellen:

So gut wie jede gewöhnliche Lichtquelle erzeugt divergente Lichtbündel. Die entsprechenden Strahlen zeichnest Du, ausgehend von der Lichtquelle, in alle Raumrichtungen:

So wie die Sonne die Erde beleuchtet, kannst auch Du mit divergentem Licht einen Raum (relativ) gleichmäßig ausleuchten. Für die alltägliche Anwendung reicht divergentes Licht daher vollkommen aus. Allerdings nimmt die Intensität vom divergenten Licht mit der Entfernung schnell ab.

Um ein Lichtbündel zu erzeugen, das über sehr große Distanzen nicht an Intensität verliert, benötigst Du paralleles Licht.

Parallele Lichtstrahlen

Parallele Lichtstrahlen werden dort eingesetzt, wo sehr intensives Licht benötigt wird – etwa bei der Anwendung des Lasers. Im Inneren des Lasers werden Lichtstrahlen nämlich so beeinflusst, dass das austretende Strahlenbündel aus parallelen Lichtstrahlen besteht.

Da in diesem Fall mehr Strahlen als beim divergenten Lichtbündel auf dieselbe Fläche treffen, hat paralleles Licht eine höhere Intensität als divergentes Licht. Während im Fall von divergentem Licht die Intensität für größere Abstände abnimmt (weniger Strahlen treffen auf eine Fläche), bleibt die Intensität von parallelem Licht auch für größere Abstände gleich (gleich viele Strahlen treffen auf eine Fläche).

Neben parallelen und divergenten Lichtstrahlen existiert noch eine dritte Verlaufsform.

Konvergente Lichtstrahlen

Unter Konvergenz verstehst Du eine „Annäherung“. Also nähern sich konvergente Lichtstrahlen einander an. Da sich Lichtstrahlen geradlinig ausbreiten, reichen sie – sofern sie nicht abgeschwächt werden – unendlich weit. Somit schneiden sich konvergente Lichtstrahlen früher oder später in einem Punkt – sie werden praktisch auf diesen Punkt fokussiert.

Dabei können sowohl divergente als auch parallele Strahlen zu konvergenten Strahlen gebündelt werden. Dies geschieht etwa durch Brechung oder Reflexion.

Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen

Wenn ein Lichtbündel auf ein Objekt trifft, wird ein Teil der Strahlen reflektiert. Ist das Objekt lichtdurchlässig, so findet bei den anderen Lichtstrahlen Brechung statt:

Dabei verläuft die Reflexion nach dem Reflexionsgesetz.

Die wohl bekannteste Art der Reflexion ist die Reflexion an Spiegeln. Je nach Bauform ergeben sich dabei unterschiedliche Strahlenverläufe.

Den Strahlenverlauf kannst Du ebenfalls durch Brechung beeinflussen.

Du kannst mit Brechung etwa divergente Strahlen so lenken, dass sie zu parallelen Strahlen werden und diese wiederum in konvergente Strahlen umwandeln. Dazu verwendest Du Optische Linsen.

Wie Du sehen kannst, kannst Du mit Linsen und Spiegeln den Verlauf von Lichtstrahlen manipulieren. Dies wird in optischen Geräten zu unterschiedlichen Anwendungszwecken ausgenutzt.

Lichtstrahlen – Optische Geräte

Optische Geräte bestehen aus Linsen- und Spiegelsystemen, die je nach Anwendungszweck unterschiedlich zusammenwirken. Die ältesten Linsensysteme wurden dabei im Fernrohr und im Mikroskop verbaut.

Fernrohr, Mikroskop und Auge

Sowohl das Fernrohr als auch das Mikroskop dienen der Vergrößerung von Objekten. Während durch das Mikroskop allerdings winzige Strukturen – etwa Bakterien oder Zellen – betrachtet werden, dient das Fernrohr der Beobachtung von großen und weit entfernten Objekten: Planeten, Sterne und andere Himmelskörper.

Beide Geräte bestehen aus jeweils zwei Sammellinsen, die die einfallende Strahlung zweifach bündeln und gleichzeitig das Bild vergrößern. Je nach Bauart können auch Spiegel verbaut sein, die den Strahlenverlauf durch das Gerät anderweitig beeinflussen.

Sobald das Strahlenbündel durch das Gerät tritt, kann das entsprechende Bild mit dem Auge beobachtet werden. Dies ist allerdings nur deswegen möglich, weil das menschliche Auge selbst aus einer Linse besteht, die das Bild auf die Netzhaut wirft.

Bei einwandfreiem Sehvermögen liegt der Brennpunkt der Augenlinse genau auf der Netzhaut, sodass ein klares Bild entsteht. Besteht hingegen eine Sehschwäche, so liegt der Brennpunkt entweder vor oder hinter der Netzhaut.

Manchmal reicht es jedoch nicht aus, ein Bild einfach nur zu beobachten – oftmals wollen wir „den Moment festhalten“. Dazu stehen Dir ganz andere optische Systeme zur Verfügung.

Lochkamera und Fotoapparat

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich viel im Bereich der Fotografie getan: Der klassische Fotoapparat wurde durch komplizierte Linsen- und Spiegelsysteme in Spiegelreflex- oder Digitalkameras ersetzt. Gleichzeitig wurden diese Systeme immer kleiner, bis sie schließlich in mehrfacher Ausführung in modernen Smartphones gelandet sind.

Allerdings benötigst Du nicht zwangsläufig ein komplexes optisches System, um Bilder festzuhalten. Tatsächlich wurde das allererste Bild mit dem einfachsten erdenklichen System erstellt – der Lochkamera.

Optische Geräte werden allerdings nicht nur zu Zwecken der Beobachtung oder zum Festhalten von Bildern verwendet. Im Labor finden sie auch Anwendung zur Analyse von Substanzen.

Photometer und Spektrometer

Dass Flüssigkeiten Licht absorbieren können, wird im Labor durch das Photometer ausgenutzt. In diesem wird eine Probe unbekannter chemischer Zusammensetzung mit Licht verschiedener Wellenlängen – bzw. Farben – bestrahlt und die durchgelassene Strahlung gemessen.

Aufgrund ihres Aufbaus absorbieren unterschiedliche Moleküle verschiedene Wellenlängen des Lichts. Anhand der durchgelassenen Strahlung kannst Du dann darauf schließen, um welche Verbindung es sich handelt. Um das Licht dabei in die einzelnen Farben aufzuteilen, wird ein weiteres optisches Bauteil – das Prisma – verwendet.

Das Prisma wird auch im Spektroskop verbaut, um ebenfalls Licht in seine Bestandteile zu zerlegen. Dieses wird beispielsweise in der Astronomie eingesetzt, um vom Sternenlicht auf die Zusammensetzung von Sternen zu schließen.

Auch in der Technologie werden Lichtstrahlen eingesetzt, um Signale zu versenden.

Lichtleiter

Bei bestimmten Winkeln und Übergängen kann neben der Brechung und der Reflexion auch Totalreflexion auftreten. Dabei kann der Lichtstrahl nicht mehr aus dem einen Medium austreten und wird durch wiederholte Reflexion im Medium weitergegeben. Dies wird unter anderem zur optischen Signalübertragung in Lichtleitern ausgenutzt.

Dabei tritt das Signal in das eine Ende des Lichtleiters ein, wird an den Wänden (nahezu) vollständig reflektiert, sodass nur ein geringer Teil des Lichts aus der Seite austritt. Der wesentliche Anteil des Lichts tritt durch das andere Ende des Lichtleiters aus. Deswegen erscheint das Ende eines Lichtleiters auch viel heller als seine Wände:

Abb. 9 - Lichtleiter

Egal, ob bei optischen Geräten oder bei der Wechselwirkung von Licht – in den meisten Fällen liegt der Fokus auf den Lichtstrahlen. Doch was ist mit den Bereichen, in die kein Licht gelangt?

Lichtstrahlen – Entstehung vom Schatten Schattenarten

Trifft ein Lichtbündel auf ein Hindernis, so wird es – je nachdem, wie viel Licht durchgelassen wird – unterschiedlich stark abgeschwächt. Im Bereich hinter dem Objekt entsteht ein Schatten:

Der Raum, an den kein Licht gelangt, wird dabei als Schattenraum bezeichnet. Fängst Du diesen auf einem Schirm auf, so nennst Du es Schatten. Dabei wird, je nach Anzahl und Art der Lichtquellen, zwischen unterschiedlichen Schattenarten unterschieden. Auch zu den Schattenarten findest Du eine ausführliche Erklärung!