Die Energiequelle Licht. Erforschung und Nutzung von Licht in der Wissenschaft

Andrea Eder:

LICHT

Licht wird als Strahlungsenergie bezeichnet. Man spricht von direktem und indirektem bzw. reflektiertem Licht. Direktes Licht ist es, wenn es direkt von einer Lichtquelle ausgestrahlt wird und von unserem Auge wahrgenommen wird, wie von der Sonne oder einer Glühbirne. Prallt Licht an einer Fläche ab so spricht man von reflektiertem Licht. Wissenschaftler meinen, dass Licht eine Form von Energie ist, weil es in Körpern chemische Reaktionen hervorruft, z.B. die Photosynthese bei Pflanzen. Auch wir Menschen könnten ohne Licht nicht existieren, da ohne das Sonnenlicht keine Erdwärme entstehen würde und somit die Erde kalt wäre und menschliches Leben unmöglich.

Über die Entstehung und das Wesen des Lichts ist man sich nicht einig, deshalb gibt es verschiedenen Theorien darüber:

Korpuskulartheorie von Isaac Newton ca. 1669:

Hier wird angenommen, dass das Licht aus elastischen Teilchen (Korpuskeln) besteht, die aus der Lichtquelle herausgeschleudert werden. So konnte man Reflexion und Brechung des Lichts erklären, nicht aber die Beugung. Die Existenz von Lichtteilchen in Verbindung mit anderen Vorstellungen hat Newton theoretische Schlüsse ziehen lassen (,,Vorhersagen machen"), die aber später durch Experimente widerlegt worden sind.

Wellentheorie von Christian Huygens (1678):

Behauptet, dass das Licht eine mechanische, längsgerichtete Wellenbewegung ist. Er vermutete einen ,,Lichtäther" als Träger der Lichtwelle, da jede mechanische Welle ein Ausbreitungsmedium benötigt. Später fand Huygens allerdings heraus, dass kein Ausbreitungsmedium erforderlich ist, weil das Licht eine Transversalwelle (quer-verlaufende Welle) ist.

Elektromagnetische Lichttheorie von James C. Maxwell (1873)

Bestätigt von Heinrich Hertz (1887)

Quantentheorie von Max Planck (1900):

Erklärt Naturerscheinungen, die mit der Wellennatur des Lichts nicht zu verstehen sind. Laut dieser Theorie gibt es nur bestimmte Energieportionen (Lichtquanten, Photonen) abgestrahlten Lichts. Diese haben bestimmte Eigenschaften.

Wellen-Teilchen-Dualismus:

Da wellenartige und teilchenartige Lichtstrahlen nebeneinander in einer einzelnen physikalischen Einheit existieren, müssen beide, die Wellen- und Quantentheorie, verwendet werden, weil beide das Lichtwesen nicht vollständig beschreiben.

Lichtgeschwindigkeit

Wie kam es überhaupt zur Messung der Lichtgeschwindigkeit?

Im späten 16. Jahrhundert erwachte das Interesse an der Wissenschaft wieder. Man wusste, dass man den Blitz früher sieht, als den Donner hört. Forscher zogen daraus den Schluss, dass Schall langsamer sein müsste als Licht.

Für die Messung der Lichtgeschwindigkeit gibt es verschiedene Methoden:

Bestimmung 1676 durch Olaf Rømer:

Er hat durch die Beobachtung des Jupitermondes Io bewiesen, dass sich Licht nicht unendlich schnell ausbreitet, sondern eine konstante, messbare Geschwindigkeit hat. Da ein Jupitermond 42 ½ Stunden brauchte um Jupiter zu umkreisen, konnte Rømer eine Tabelle der Verfinsterungszeit für ein ganzes Jahr aufstellen. Im Dezember ist der Mond der Erde am weitesten entfernt und hier fand er heraus, dass seine Tabelle um 1000 Sekunden im Rückstand lag. Diese Verzögerung erklärte er damit, dass das Licht die 1000 Sekunden für die Zurücklegung von 300 Millionen km (Länge der Achse der Erdbahn) braucht. So kam er auf eine Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s.

A. H. Louis Fizeau (1849):

Der Franzose hat als 1. die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde gemessen.

Léon Foucault (1862):

1. Messung im Labor.

Albert Michelson:

Verbesserte Foucault's Methode zu höchster Exaktheit. Er verwendete für seine Messungen ein symmetrisches, achtseitiges Glasprisma, das um seine Achse rotierte und dessen Seitenflächen vollkommen spiegelten. Von einer Lichtquelle fiel ein Strahl auf das Prisma und wurde zu einem Spiegel weitergleitet. Dieser stand auf einem hohen Berg in 35 km Entfernung. Der Strahl wurde von dem Spiegel wieder zum Prisma zurückgeschickt. Das Prisma rotierte 530x in der Sekunde und im 424-sten Teil einer Sekunde legte das Licht den Weg vom Prisma zum Spiegel zurück. Dadurch bestimmte er die Lichtgeschwindigkeit mit 299 792 m/s. Durch diese Bestimmung ist es außerdem möglich die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und in lichtdurchlässigen Stoffen zu messen.

Vakuumlichtgeschwindigkeit (c) = 299.792.458 m/s

Dies ist eine grundlegende Naturkonstante, mit hoher Bedeutung in der modernen Physik. In der Luft ist die Lichtgeschwindigkeit um ca. 0,03 % geringer. In einem Medium ist sie generell kleiner. Zur Berechnung genügt ein Näherungswert von c = 3 x 10⁸ m/s

Optische Dichte:

Ist nicht gleichzusetzen mit der Dichte ( = m/v). Ist die Lichtgeschwindigkeit in einem von 2 verschiedenen Medien geringer, so ist dieses optische dichter und das andere optisch dünner. Diamant - Glas - Plexiglas - Wasser - kalte Luft - heiße Luft nehmen der Reihe nach an optischer Dichte ab.

isotrop:

Sind jene homogenen Medien, in denen sich Licht in allen Richtungen mit derselben Geschwindigkeit ausbreitet. Da aber viele homogenen Stoffe einen Kristallaufbau haben sind sie anisotrop.

Größen und Maßeinheiten des Lichts:

Das Maß für die Helligkeit einer Lichtquelle ist die Lichtstärke Iv. Diese Grundgröße ist im SI (System International) festgelegt. Die Lichtstärke wird in Candela (cd) angegeben.

Gesetzliche Definition.

Die Candela ist die Lichtstärke einer Strahlungsquelle in einer gegebenen Richtung, welche eine monochromatische (einfarbige) Strahlung mit einer Frequenz von 540 x 10¹² Hertz aussendet und deren Strahlung 1/683 Watt Steradiant (Einheit des Raumwinkels) in dieser Richtung beträgt.

Die Lichtstärke einer 100-Watt-Glühbirne ist 6x so groß wie die einer 25-Watt-Lampe. Das heißt stärkere Lampen haben einen höheren Wirkungsgrad als schwächere. Sie wandeln einen größeren Teil elektrischer Energie in Licht und nicht in Wärme um.

Der Lichtstrom (von einer Lichtquelle ausgehend) wird in Lumen (lm) angegeben. 1 Lumen ist der Lichtstrom, den eine Lichtquelle mit der Lichtstärke 1 cd vom Mittelpunkt einer Kugel mit dem Radius 1 m durch ein 1 m² großes Flächenstück der Kugeloberfläche strahlt.

5 40-W-Glühbirnen haben den selben Lichtstrom wie eine 40-W-Leuchtstoffröhre.

Das Maß der Helligkeit einer beleuchteten Fläche ist die Beleuchtungsstärke E. Diese wird in Lux (lx) gemessen. 1 Lux entspricht einer Fläche von 1 m², mit einem gleichmäßigen Lichtstrom von 1 lm.

Beleuchtungsstärke = Lichtstärke E =[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Quadrat d. Abstandes r²

Vorraussetzung dafür ist ein senkrechter Lichteinfall.