5 Dinge, die jeder Mensch über Licht wissen sollte
2015 ist das Internationale Jahr des Lichts (aber das universelle Jahr des Lichts ist 2533). Ich denke, wir sind uns alle einig, dass Licht in fast allen Bereichen unseres Lebens sehr wichtig ist. Aber was sind die wichtigsten Dinge, die jeder Mensch darüber wissen sollte? Ok, bei Menschen unter 7 Jahren lasse ich das mal außen vor. Jüngere Kinder wissen wahrscheinlich schon eine Menge über Licht (da sie es ständig benutzen) – aber machen wir uns über sie erst mal keine Gedanken. Wenn du also über 7 Jahre alt bist, dann pass gut auf.
Licht ist eine Welle
Was ist eine Welle? Beginnen wir mit einem Beispiel. Wenn du einen Stein in eine Pfütze wirfst, wirst du etwa Folgendes sehen:
Der Stein verursacht eine Störung im Wasser (eine Welle). Diese Störung bewegt sich von der Stelle, an der der Stein auftrifft, radial nach außen. Es ist die Störung, die sich nach außen bewegt, nicht die Wassermoleküle – sie bewegen sich nur auf und ab. Sie können etwas Ähnliches mit einem Stück Schnur machen. Legen Sie sie auf den Boden und schütteln Sie das eine Ende. Die Störung wandert die Schnur hinunter (eine schwere Schnur funktioniert besser).
Betrachten wir den Fall einer Welle, die eine Schnur hinunterläuft. Es gibt 4 Eigenschaften, die man berücksichtigen kann:
Diese 4 Eigenschaften sind:
- Amplitude: Dies ist die Größe der Verschiebung der Störung. Die Einheiten für die Amplitude hängen von der Art der Welle ab. Bei einer Schnur wären die Einheiten Meter.
- Wellengeschwindigkeit: Wenn man eine Verschiebung beobachtet, würde sie sich bewegen. Die Wellengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit (das scheint überflüssig). Die Einheit für die Wellengeschwindigkeit ist Meter pro Sekunde.
- Wellenlänge: das ist der Abstand von einer Störung zur nächsten, gemessen in Metern
- Frequenz: wenn man zählen würde, wie viele Wellen einen stationären Punkt in jeder Sekunde passieren, wäre das die Frequenz (in Zyklen pro Sekunde oder Hertz).
Die letzten drei Eigenschaften sind miteinander verbunden. Die Geschwindigkeit der Welle ist gleich dem Produkt aus Wellenlänge und Frequenz.
Das Licht ist also eine Welle. Das bedeutet, dass es alle oben genannten Eigenschaften hat und wellenartige Dinge tun kann, wie:
- Sich ausdehnen und in alle Richtungen ausstrahlen (wie eine Glühbirne oder die Wellen im Wasser, die durch einen Stein verursacht werden).
- Mit anderen Wellen interferieren.
- Biegt sich um Ecken (ja, Licht tut das – aber es ist schwer zu sehen).
- Trägt Energie und Impuls.
- Interagiert mit Materie.
Licht tut all diese Dinge.
Licht ist eine elektromagnetische Welle
Du kannst deine eigene Welle machen. Nimm ein langes Verlängerungskabel und spanne es auf dem Boden aus. Schütteln Sie nun ein Ende senkrecht. Du solltest etwa so etwas erhalten (dieses Bild ist in Zeitlupe):
Nimm nun das Verlängerungskabel weg und wiederhole die Demonstration. Ja, es passiert nichts. Wenn man kein Medium hat, in dem sich eine Welle ausbreiten kann, gibt es keine Welle. Aber was ist mit Licht? Licht ist doch eine Welle, oder? Ja, genau (wie ich oben beschrieben habe). Wie bewegt sich das Licht dann durch den leeren Raum auf seinem Weg von der Sonne zur Erde? Was ist das Medium für eine Lichtwelle?
Es stellt sich heraus, dass es zwei wichtige Dinge über elektrische und magnetische Felder gibt. Erstens: Hier ist ein Draht, der elektrischen Strom über einen magnetischen Kompass führt. Der elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld, das die Kompassnadel zum Drehen bringt.
Aber man braucht nicht einmal einen elektrischen Strom, um Magnetfelder zu erzeugen. Es stellt sich heraus, dass ein sich änderndes elektrisches Feld auch ein magnetisches Feld erzeugt. Hier ist eine Drahtspule an eine Glühbirne angeschlossen (ohne Batterie). Wenn sie über das sich ändernde Magnetfeld gehalten wird, entsteht das sich ändernde elektrische Feld, das einen Strom antreibt.
So haben wir ein sich änderndes elektrisches Feld, das ein magnetisches Feld erzeugt, und ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld. Fügt man diese beiden Ideen zusammen, erhält man zwei Wellen (eine elektrische und eine magnetische Feldwelle), die sich beide gegenseitig ausbreiten. Elektromagnetische Wellen brauchen kein Medium, denn sie sind gewissermaßen ihr eigenes Medium.
Die verschiedenen Wellenlängen des Lichts interagieren unterschiedlich mit der Materie
Zunächst gibt es das elektromagnetische Spektrum. Man kann eine elektromagnetische Welle mit allen möglichen Wellenlängen erzeugen – von mehr als einem Meter (Radiowellen) bis zu weniger als 10 Pikometern (Gammastrahlen – aber sie sind immer noch Wellen). Hier ist die allgemeine Klassifizierung des elektromagnetischen Spektrums von großen Wellenlängen bis zu kleinen Wellenlängen.
- Radio
- Mikrowellen
- Infrarot
- Sichtbares Licht
- Ultraviolett
- X-Strahlen (aber sie sind Wellen)
- Gammastrahlen
Alle diese Strahlen sind elektromagnetische Wellen und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit (der Lichtgeschwindigkeit). Sie haben jedoch unterschiedliche Wechselwirkungen mit der Materie. Wenn du dich in einem Haus befindest, kann dein Handy trotzdem Daten von einem Mobilfunkmast empfangen, da diese Funkwellen die meisten Wände durchdringen. Können Sie durch die Wände sehen? Nein. Sichtbares Licht geht durch die meisten Wände nicht hindurch. Röntgenstrahlen gehen meist durch die Haut, aber man kann (mit sichtbarem Licht) nicht durch die Haut sehen – das wäre einfach nur seltsam.
Technisch gesehen hängt die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie von der Frequenz des Lichts ab – aber da Frequenz und Wellenlänge zusammenhängen, können wir nur von der Wellenlänge sprechen.
Sie sehen Dinge, wenn Licht in Ihr Auge eintritt
Ok, hier geht es nicht nur um Licht, sondern auch darum, wie Menschen funktionieren.
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Licht in Ihr Auge eintreten kann. Erstens könnte es eine Lichtquelle (wie eine Glühbirne) geben, die Licht erzeugt. Dieses Licht wandert dann in dein Auge und BOOM – dein Gehirn interpretiert dieses Signal als Licht. Die andere (häufigere) Möglichkeit ist, Dinge durch reflektiertes Licht zu sehen. Nehmen wir an, Sie schauen auf einen Bleistift. Das Licht (von irgendwoher) wird vom Bleistift reflektiert und gelangt dann in Ihr Auge.
Aber was passiert, wenn kein Licht in dein Auge fällt? Was ist, wenn Sie sich an einem Ort befinden, an dem es absolut keine Lichtquelle gibt? In diesem Fall nimmst du die Farbe Schwarz wahr. Eigentlich kann das eine lustige Frage sein. Stellen Sie jemandem folgende Frage:
Waren Sie jemals an einem Ort, an dem es absolut kein Licht gibt? (Die meisten Menschen nicht) Wenn Sie sich in einem völlig dunklen Raum befinden, was würden Sie sehen? Was passiert, wenn Sie lange, lange Zeit warten?
Eine der häufigsten Antworten ist, dass Sie alles schwarz sehen werden – am Anfang. Diese Menschen werden auch sagen, dass sich deine Augen nach einiger Zeit anpassen werden und du dann etwas sehen WIRST. Die richtige Antwort ist, dass man einfach nur schwarz sehen wird – für immer. Wenn kein Licht in Ihr Auge fällt, sehen Sie einfach nur schwarz. Die allgemeine Vorstellung beruht auf einer allgemeinen Erfahrung. Wenn man sich in einem dunklen Raum befindet, passen sich die Augen in der Regel tatsächlich an. Das funktioniert jedoch nur in Räumen mit ein wenig Licht – und es gibt fast immer zumindest ein wenig Licht.
Alle Objekte erzeugen Licht
Vielleicht sollte ich sagen, dass alle Objekte elektromagnetische Wellen erzeugen – das tun sie. Schauen wir uns ein Beispiel aus Ihrem Haus an. Gehen Sie in Ihre Küche und stellen Sie den Herd auf hohe Stufe (vorausgesetzt, Sie haben einen Elektroherd). Beobachte einfach, wie er heißer wird (aber berühre ihn nicht).
Schließlich wird das Element des Herdes so heiß, dass es schwach rötlich glüht (rotglühend). Aber eigentlich hat das Element die ganze Zeit Licht erzeugt. Es ist nur so, dass das elektromagnetische Licht bei niedrigeren Temperaturen eine Wellenlänge hat, die man nicht sehen kann – es liegt im Infrarotspektrum.
Die meisten Dinge, die man um sich herum sieht, senden EM (elektromagnetische) Strahlung im Infrarotspektrum aus – man kann sie also nicht sehen. Nun, man kann sie indirekt sehen, wenn man eine tolle Infrarotkamera (für das Handy) hat. Diese Wärmebildkameras dektektieren das Infrarotlicht und erzeugen ein Bild mit falschen Farben, das Menschen sehen können. Meistens entsprechen die verschiedenen Farben im IR-Bild den unterschiedlichen Temperaturen der Objekte.
Hier ist ein Beispiel. Das ist mein Hund auf einem glatten Boden. Beachten Sie, dass seine Augen und seine Nase wärmer sind als andere Teile seines Körpers. Beachten Sie auch, dass Sie seine Infrarotreflexion auf dem Boden sehen können.
Rhett Allain
Aber funktioniert das auch bei Objekten, die heißer sind als Ihr Ofenelement? Ja. Wenn ein Objekt noch heißer wird, erzeugt es Licht mit immer kürzeren Wellenlängen. Schließlich würde das Objekt weiß aussehen, da mehr Licht mit kürzeren Wellenlängen erzeugt wird. Ja, bei noch höheren Temperaturen könnte sogar ultraviolettes Licht entstehen.
Ok, das sind die fünf Dinge, die jeder über Licht wissen sollte.