Die Physik bietet zwei Möglichkeiten, sich Licht vorzustellen: einmal als Lichtstrahlen – oder Lichtbündel – und einmal als Lichtwellen. In dieser Erklärung findest Du die Definition vom Lichtstrahlenmodell, und die Erklärung, wie parallele Lichtstrahlen durch Brechung in ein divergentes Lichtbündel oder konvergente Lichtstrahlen umgewandelt werden.
Lichtbündel und Lichtstrahlenmodell
Das Lichtstrahlenmodell entwickelte sich parallel zum Wellenmodell und dient zur Beschreibung von Lichtbündeln. Unterschiedliche Eigenschaften können dabei mit jeweils einem dieser Modelle erklärt werden: Interferenz und Beugung erklärst Du etwa über Lichtwellen, während Brechung und Reflexion von Licht besser mit Lichtstrahlen erklärt werden kann.
Die Frage nach der Zusammensetzung von Licht besteht bereits seit der Antike. Über die Jahrhunderte hinweg wurden dabei Theorien entwickelt, die Licht entweder als Teilchen oder als Welle beschreiben. Es wurde dabei belassen, dass beide Modellvorstellungen komplementär sind.
Doch wann kannst Du Licht als Teilchen beschreiben, die sich strahlenförmig von der Quelle ausbreiten und wann eignet sich die Beschreibung über Lichtwellen?
Das kommt ganz auf die „Dimension“ der Messung an: bei großen, nicht feinfühligen Systemen – wie Linsen – dominiert der Teilchencharakter. Die Welleneigenschaften machen sich zunehmend bemerkbar, wenn die Größenordnungen der Apparatur in den entsprechenden Wellenlängenbereich rutschen (z. B. Optisches Gitter,
Interferenz am Doppelspalt).
Schau doch in die entsprechenden Erklärungen rein, wenn Dich das Thema interessiert!
Geht es um noch kleinere Größenordnungen (im subatomaren Bereich), so gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Nach dieser wird das Licht als das Quantenobjekt Photon beschrieben.
Photonen zählen zu den Elementarteilchen und haben viele interessante Eigenschaften. Wenn Du mehr darüber wissen möchtest, dann schau doch in den Erklärungen zu „Physik Elementarteilchen“ und „Quantenobjekt Photon“ vorbei.
Doch bevor Du Dir die Anwendungen des Lichtstrahlenmodells anschaust, bleibt eine Frage zu klären: Was sind Lichtstrahlen überhaupt und welche Eigenschaften besitzen sie?
Lichtstrahlen Physik und Lichtbündel Definition
In der Physik wird durch Lichtstrahlen beschrieben, wie sich Licht im Raum ausbreitet.
Licht breitet sich in Form eines Strahls – des Lichtstrahls – aus.
Dieser hat folgende Eigenschaften:
- Der Lichtstrahl entspringt einem Punkt im Raum (Lichtquelle) und breitet sich geradlinig aus. Seine Richtung kann auch umgekehrt werden.
- Bei der Ausbreitung nimmt der Lichtstrahl stets den kürzesten Weg. (Fermatsches Prinzip)
- Trifft der Lichtstrahl auf ein Objekt, so kann es mit diesem wechselwirken. Dabei kann es etwa zur Absorption, Transmission, Streuung, Brechung oder Reflexion kommen.
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.
Ein Lichtbündel besteht aus mehreren Lichtstrahlen, die einer Lichtquelle entspringen.
Dabei heißen die äußeren Strahlen eines Lichtbündels Randstrahlen.
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:
Im divergenten Lichtbündel laufen die Strahlen auseinander.
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.
Eine ausführliche Erklärung darüber, wie ein Laser funktioniert, findest Du bei „Laser Physik“.
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).
Allerdings ist dies eine idealisierte Betrachtungsweise. In der Realität gibt es kein Lichtbündel, das nur aus parallelen Lichtstrahlen besteht: Eine kleine Divergenz ist also immer da.
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.
Laufen Lichtstrahlen aufeinander zu, so sind es konvergente Lichtstrahlen.
Konvergente Lichtstrahlen schneiden sich in einem Punkt. Dieser heißt Brennpunkt und wird mit \(F\) abgekürzt.
Dass der Brennpunkt mit einem \(F\) bezeichnet wird, liegt daran, dass er im Englischen focus ('Fokus') heißt.
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.
Nach dem Reflexionsgesetz ist der Winkel \(\alpha'\), unter dem der Strahl reflektiert wird, genauso groß wie der Einfallswinkel \(\alpha\).
Was das genau bedeutet, so wie einige Beispielaufgaben, findest Du in der Erklärung zum Reflexionsgesetz.
Die wohl bekannteste Art der Reflexion ist die Reflexion an Spiegeln. Je nach Bauform ergeben sich dabei unterschiedliche Strahlenverläufe.
Mit einem Parabolspiegel kannst Du beispielsweise sowohl parallel als auch divergent einfallende Lichtstrahlen im Brennpunkt bündeln und somit konvergente Lichtstrahlen erzeugen:
Da im Brennpunkt viele Strahlen auf eine kleine Fläche wirken, ist das Lichtbündel an dieser Stelle sehr intensiv. Damit hat es an dieser Stelle auch die höchste Energie, die „aufgesammelt“ werden kann. Diese kannst Du nutzen, wenn Du im Brennpunkt einen Speicher für Sonnenenergie anbringst.
Mehr zur Anwendung von Parabolspiegeln kannst Du in der Erklärung „Parabolspiegel“ nachlesen. Ähnliches findest Du unter „Sphärischer Spiegel“. Oder fragst Du Dich, wie die Reflexion am ebenen Spiegel funktioniert? Auch dazu findest Du eine passende Erklärung!
Den Strahlenverlauf kannst Du ebenfalls durch Brechung beeinflussen.
Als Brechung bezeichnest Du die Ablenkung eines Lichtstrahls, wenn es von einem Medium in ein anderes Medium übergeht. In welchem Brechungswinkel \(\beta\) der Strahl abgelenkt wird, wird durch das Brechungsgesetz beschrieben.
Schau doch in der Erklärung zur Brechung und zum Brechungsgesetz vorbei, wenn Dich dieses Thema interessiert!
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.
Eine Sammellinse besteht etwa aus zwei gewölbten Oberflächen und – wie der Name schon vermuten lässt – dient sie dazu, einfallende Strahlen im Brennpunkt zu sammeln. Die Funktionsweise kannst Du Dir dabei am Beispiel von zwei hintereinander angeordneten Sammellinsen verdeutlichen:
Eine Strahlungsquelle \(S\) sendet divergente Strahlen aus. Fallen diese auf die erste Sammellinse, so werden sie durch Brechung an der Linsenoberfläche so abgelenkt, dass sie sich hinter der Linse als parallele Lichtstrahlen ausbreiten. Treffen diese parallelen Strahlen auf eine weitere Sammellinse, so werden sie in den Brennpunkt \(F\) fokussiert und verlaufen als konvergente Strahlen hinter der Linse weiter.
Auf diese Weise kannst Du etwa Sonnenlicht auf ein trockenes Blatt fokussieren. Liegt das Blatt dabei genau im Brennpunkt, so reicht die darin gebündelte Energie aus, um dieses anzuzünden.
Obwohl die Sonne divergente Strahlen aussendet, können die Strahlen – wegen des großen Abstandes – allerdings als parallel angenommen werden. Deswegen reicht dazu auch eine Linse – statt zwei – vollkommen aus.
In der Erklärung „Optische Linsen“ findest Du weitere Anwendungsbeispiele. Außerdem erfährst Du in der Erklärung zur Linsengleichung, wie Du die Brechung an Linsen berechnen kannst.
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.
Du interessierst Dich für Fotografie und möchtest mehr darüber erfahren? Dann schau doch in der Erklärung „Fotoapparat Physik“ vorbei!
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.
Um eine Lochkamera zu bauen, benötigst Du einen lichtdichten Kasten, in den Du ein kleines Loch hineinbohrst. Wenn nun Licht durch das Loch in den Kasten fällt, so erscheint auf der gegenüberliegenden Wand ein auf den Kopf gestelltes, seitenverkehrtes Bild der Außenwelt. Dieses kann etwa auf einer Fotoplatte festgehalten werden.
Wie die Lochkamera genau funktioniert, erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.
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.
Weitere Informationen findest Du in der Erklärung zum Photometer. Mehr zu dem Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Lichtfarbe kannst Du außerdem in der Erklärung „Farben Physik“ und „Farbspektrum“ nachlesen.
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.
In der Erklärung zum Strahlengang Prisma ist die genaue Funktionsweise des Prismas erklärt.
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.
Wenn Du mehr darüber erfahren möchtest, dann schau doch in der Erklärung zum Spektroskop vorbei!
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.
Wie die optische Kommunikation funktioniert, kannst Du in der Erklärung „Lichtleiter Physik“ nachlesen. In der Erklärung zur Totalreflexion erfährst Du mehr zu der Theorie dahinter.
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!
Lichtstrahlen – Das Wichtigste
- Im Lichtstrahlenmodell wird die Ausbreitung von Licht durch Lichtstrahlen beschrieben.
- Ein Lichtstrahl entspringt einem Punkt und breitet sich von diesem geradlinig aus.
- Lichtstrahlen nehmen immer den kürzesten Weg.
- Die Richtung des Strahls kann auch umgekehrt werden.
- Trifft ein Lichtstrahl auf ein Objekt, so kann es mit diesem etwa durch Brechung oder Reflexion wechselwirken.
- Mehrere aneinanderliegende Lichtstrahlen aus derselben Lichtquelle lassen sich zu einem Lichtbündel gruppieren. Dabei wird zwischen drei Verläufen unterschieden:
- Divergente Strahlen: Laufen auseinander
- Parallele Strahlen: Laufen parallel
- Konvergente Strahlen: Laufen aufeinander zu und werden im Brennpunkt fokussiert
- Treffen Lichtstrahlen auf ein anderes Medium, so wird ein Teil gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert und der andere Teil nach dem Brechungsgesetz gebrochen. Unter gewissen Bedingungen kann es auch zur Totalreflexion kommen.
- Durch die Wechselwirkung mit Objekten wird Licht abgeschwächt. Dadurch bildet sich ein Schatten hinter dem Objekt.
- Optische Geräte nutzen den Verlauf von Lichtstrahlen optimal aus, um Objekte zu beobachten, Proben zu analysieren, Bilder festzuhalten oder zur superschnellen Kommunikation.
Nachweise
- The Feynman Lectures on Physics. Volume I: Mainly Mechanics, Radiation and Heat. (2010) Basic Books
- margit-roth.de: Der lange Weg zum ersten Bild – die Camera obscura oder Lochkamera. (19.11.2022)
- ulfkonrad.de: Licht und Schatten. (22.11.2022)
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