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1.Licht als elektromagnetische Welle
1.1.Eigenschaften des Lichtes
Licht breitet sich Kugelförmig mit Lichtgeschwindigkeit um seine Quelle aus.
Die Lichtgeschwindigkeit "c" im Vakuum beträgt c0= 299 792,458 km/s. Sie ist nach der Relativitätstheorie die obere Grenzgeschwindigkeit für eine Energieübertragung. Ihr Wert verändert sich, wenn das Licht Stoffe durchdringt.
Der Wert in Luft beträgt beispielsweise cLuft=c0-0,03%.
Licht breitet sich in Wellenform aus. Es ist eine elektromagnetische Welle.
Die kleinste vorkommende "Lichtmenge" heißt Quant. Ein Lichtquantum oder auch Photon verhält sich wie ein lichtschnelles Teilchen einer sehr geringen Masse. Dies ist ein Wiederspruch zum Wellenmodell des Lichts! Ein einzelnes Photon (Lichtteilchen) verhält sich im Experiment wie ein eigenständiges Teilchen. Treten jedoch mehrere Photonen auf, so scheinen sie auf unbekannte Weise zu kommunizieren und verhalten sich in ihrer (statistischen) Überlagerung wie eine Welle. (Stichwort hierzu: Schrödingers Katze)
1.2.Das elektromagnetische Wellenspektrum
Licht ist eine elektromagnetische Welle, wie auch Radiowellen, Infrarot-, Röntgen- und Gammastrahlen. Diese Strahlungsarten bilden das elektromagnetische Spektrum. Das uns bekannte Farbspektrum des Lichts stellt nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum dar.
Elektromagnetische Wellen entstehen, wann immer Elektronen bewegt werden, bzw. ihre Geschwindigkeit verändern. Das passiert in Magnetfeldern, in stromdurchflossenen Leitern oder auch, wenn im Vakuum fliegende Elektronen von der Anziehungskraft anderer Körper gebremst werden (sog. Synchrotronstrahlung). Diese Effekte treten immer zusammen auf, denn in jedem elektromagnetischem Feld fließt ein Strom, so wie jeder Stromfluß ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Quelle: Schülerduden Astronomie - Dudenverlag 1989
1.3.Wellenlänge und Frequenz
Eine elektromagnetische Welle wird, abgesehen von ihrer Ausbreitungsrichtung, gekennzeichnet durch ihre Intensität und durch ihre Wellenlänge.
Die Wellenlänge steht in direktem Verhältnis zur Frequenz der Welle. Die Frequenz einer Welle wird in Hertz [Hz] gemessen. 1 Hz bedeutet eine Schwingung oder ein Ereignis pro Sekunde. Ein Magnetfeld, zum Beispiel jenes einer elektrischen Spule, das 100 mal in der Sekunde seine polarität, also Nord- und Südpol, wechselt, sendet eine (natürlich elektromagnetische) Welle mit der Frequenz 100 Hz aus. Eine Lautsprechermembran schwingt mit 1 Hz, wenn sie einmal in der Sekunde vor- und wieder zurückschnellt und erzeugt dabei eine entsprechende Schallwelle.
Egal, ob Licht oder Schallwelle, die Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge bleibt immer gleich.
Die Wellenlänge Lambda ist nämlich genau die Strecke, um die sich eine Welle fortpflanzt, bevor sich ihre polarität zum zweitenmal gewechselt hat, also der Abstand zwischen Zwei Wellenbergen (oder auch Tälern).
Diesen Abstand erhält man, wenn man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle durch ihre Frequenz teilt:
Für Schallwellen gilt als Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa 330 m/sec.
Eine Schallwelle von 1kHz=1000Hz hat also als Wellenlänge
330 m/sec
Lambda = -------------- = 0,33 m
1000 /sec
Für eine elektromagnetische Welle von 1kHz gilt als Ausbreitunggeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit, der einfachheit halber hier auf 300 000 000 m/sec gerundet:
300 000 000 m/sec
Lambda = -------------------------- = 300 000 m
1000 /sec
1.4.Abhängigkeit von Wellenlänge und Energiegahalt einer Strahlung
Die Wellenlänge kennzeichnet gleichzeitig den Energiegehalt einer Strahlung. Eine kürzere Wellenlänge, also größere Frequenz bedeutet einen höheren Energiegehalt. Vorstellbar wird dies am Beispiel eines Fächers: Fächert man sich Luft zu, so bewegt man den Fächer um eine bestimmte Strecke vorwärts und rückwärts mit einer bestimmten Frequenz.
Erhöht man die Frequenz, indem man schneller fächert, so muß man mehr Kraft aufwenden, wenn die Strecke gleich bleiben soll. Dieser vermehrte Kraftaufwand wird in der entstehenden Welle gespeichert.
Ähnlich verhält es sich beim Licht. Je höher die Frequenz, desto höher der Energiegehalt.
Rotes Licht hat eine kleinere Frequenz als blaues Licht und ultraviolette Strahlung hat wiederum eine höhere Frequenz, also kleinere Wellenlänge als blaues Licht. Also ist blaues Licht energiereicher, als rotes Licht oder Radiostrahlung.
Wie man im der Abbildung des elektromagnetischen Spektrums sieht, sind es eben gerade die kurzwelligen elektromagnetischen Strahlen, die wegen ihres hohen Energigehalts gefährlich werden können.
1.5.Die Farbtemperatur
Weiß ist keine Farbe, denn weißes Licht entsteht nur, wenn alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts sich überlagen (vermischen).
Dennoch ist weiß nicht gleich weiß. Zwei verschiedene Sorten Papier können das verdeutlichen. Ein Papier wirkt gelblicher als das andere, obwohl man beide Papiersorten für sich weiß nennen müßte.
Beide Papiersorten erscheinen weiß, also sind alle Lichtfarben enthalten, dennoch ist das weiß nicht dasselbe. Das liegt daran, daß eine Papiersorte mehr blaues Licht verschluckt, als die andere. Je mehr blaues Licht verschluckt wird, umso mehr dominieren die roten und grünen Lichtanteile. Rot und Grün mischt sich in den Lichtfarben (nicht in den Pigmentfarben!) zu gelb: Das Papier wirkt gelblich, man sagt, sein reflektiertes Licht hat eine andere Farbtemperatur. Die Farbtemperatur wird in K (Kelvin) gemessen.
Um sich diesen Begriff zu verdeutlichen stelle man sich ein Stück Eisen vor, das (gleich wie) in einem dunklen Raum erhitzt wird. Zunächst ist das Eisen im dunkeln unsichtbar, aber wenn es erwärmt wird, wird es für eine Infrarotkamera, die eben Wärmestrahlung registriert, sichtbar.
Bei weiterer Erwärmung wird das Metall rotglühend werden, später weißglühend und mit immer weiter steigender Temperatur wird das glühen immer bläulicher. Würde das Eisen irgendwie daran gehindert, zu verdampfen, so strahlte es bald ultraviolett, dann im Röntgenbereich und schließlich sogar im Gammabereich. Die hierzu nötigen Temperaturen sind aber so hoch, daß sie kaum erzeugbar sind.
Genau definiert ist die Farbtemperatur anhand einer schwarzen Kugel mit einer Kreisförmigen Öffnung, deren Innenwände metallisch spiegeln. Wird diese Kugel auf 0°C gebracht so ist hat ihr "glühen" eine Farbe von 273 K, was 0°C entspricht. Bei 7000 K hat ihr glühen eine für das Auge sichtbare, blauweisse Farbe.
Diese Farbe entspricht aber nicht genau einer Wellenlänge, sondern die abgegebene Strahlung enthält alle Wellenlängen, von denen aber je nach der Farbtemperatur nur eine Wellenlänge überwiegt.
