Modul 2 » Sternenlicht

Was ist Licht ?

Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung. Ein nützliches Modell, wie wir uns elektromagnetische Strahlung vorstellen können, ist eine Schwingung des elektrischen und magnetischen Feldes, die sich wellenförmig im Raum ausbreitet. Der Raum kann dabei leer sein: elektromagnetische Wellen brauchen kein Medium wie Luft oder Wasser um sich zu verbreiten. Das ist ein großer Unterschied zwischen Licht und z.B. Schallwellen wie wir sie mit unseren Ohren hören. Diese Schallwellen sind wellenartige Veränderungen des Drucks (also z.B. des Luftdrucks), und können also ohne das Medium (Luft) gar nicht existieren.

Eine wichtige Eigenschaft einer jeden Welle ist dessen Wellenlänge, also der Abstand zwischen zwei "Bergen" der Welle. Auch elektromagnetische Wellen haben solche Wellenlängen. Dieses Bild einer elektromagnetischen Welle bleibt dabei aber nur ein Modell, mit dem einige Verhaltensmuster von elektromagnetischer Strahlung besonders gut dargestellt werden können. Ein weiteres Modell für elektromagnetische Strahlung nutzt das Konzept von Lichtteilchen, genannt Photonen. In diesem Fall wird jedem Photon eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet. Eine Wellenlänge kann übrigens auch immer in eine Frequenz oder eine Energie umgerechnet werden, daher kann man auch sagen, das ein Photon eine bestimmte Frequenz oder eben Energie hat. Wir werden uns im folgenden auf Wellenlängen konzentrieren. Trotzdem ist es gut zu wissen, dass elektromagnetische Strahlung immer Energie transportiert, ganz egal wie man sie beschreibt.

Wir haben also zwei Modelle für Licht genannt: elektromagnetische Wellen, und Photonen. In beiden Modellen spielt die Wellenlänge eine wichtige Rolle. Manchmal ist es einfacher das erste Modell zu nutzen, und manchmal das zweite. Wir werden in diesem Projekt hauptsächlich das Photonen-Modell nutzen. Halten wir also fest, das es Photonen in allen möglichen Wellenlängen gibt, je nach Art der elektromagnetischen Strahlung.

Licht, oder genauer "sichtbares Licht", beschreibt nun den kleinen Teil dieser möglichen Strahlungen, dessen Wellenlängen für unsere Augen sichtbar sind. Abgesehen von dieser Eigenschaft ist sichtbares Licht aber keine besondere elektromagnetische Strahlung: grundsätzlich unterscheidet es sich also z.B. nicht von Röntgenstrahlen. Die Photonen von Röntgenstrahlen haben nur eine andere, viel kürzere Wellenlänge, als die Photonen des sichtbaren Lichts.

So wie Röntgenstrahlen haben auch andere Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung bekannte Namen:

• Strahlung mit Wellenlängen zwischen ungefähr $1\,\textrm{km}$ und $1\,\textrm{m}$ nennt man Radiowellen,
• Mikrowellen haben Wellenlängen zwischen $10\,\textrm{cm}$ und $1\,\textrm{mm}$,
• Infrarotstrahlung hat Wellenlängen zwischen $50\,\mu\textrm{m}$ (das $\mu\textrm{m}$ steht für Mikrometer, also tausendstel Millimeter) und $800\,\textrm{nm}$ ($\textrm{nm}$ steht für Nanometer, also millionstel Millimeter),
• Und UV-Strahlung hat Wellenlängen zwischen $300\,\textrm{nm}$ und $10\,\textrm{nm}$.

Folgende Darstellung des sogenannten "elektromagnetischen Spektrums" (damit meint man die ganze Breite aller möglichen elektromagnetischen Strahlen) zeigt die verschiedenen Bereiche, und hebt den schmalen Teil des sichtbaren Lichts mit einer Vergrößerung hervor.

Bildquelle: Wikimedia Commons Nutzer Horst Frank / Phrood / Anony

Wie nehmen wir Licht war?

Die Wellenlänge bestimmt die Farbe, mit der wir sichtbares Licht wahrnehmen, so wie durch dem "Regenbogen" im obigen Bild dargestellt. Das sind die sogenannten Spektralfarben. Rot liegt bei etwa $650\,\mathrm{nm}$, blau bei $450\,\mathrm{nm}$.

Licht, das wir beobachten, besteht nun aber praktisch immer aus einer Vielzahl von Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Wenn wir einen roten Apfel sehen, erreichen uns also nicht nur Photonen von z.B. $642{,}3\,\mathrm{nm}$, sondern eine ganze Verteilung an verschiedenen Wellenlängen, die wir insgesamt als ein Rot wahrnehmen. Dabei empfinden wir Farbtöne, die zu keiner einzelnen Wellenlänge (also zu keiner reinen Spektralfarbe) zugeordnet werden können. So gibt es z.B. unzählige Brauntöne, und keiner davon kommt im Regenbogen der Spektralfarben vor. Es gibt kein Braun im Regenbogen. Oder anders gesagt: nicht jede Farbe entspricht einer Wellenlänge.

Unsere Augen haben verschiedene Zellen (genannt Zapfen), die jeweils für Photonen von eher kurzer (blauer), mittlerer (grüner), und etwas längerer (gelblicher) Wellenlänge ganz besonders empfindlich sind. Wenn wir einen Gegenstand betrachten, bestimmt also die Zusammensetzung des Lichts aus Photonen unterschiedlicher Wellenlängen, wie stark diese verschiedenen Zellen ansprechen. Und daraus ergibt sich dann welche Farbe wir wahrnehmen. So empfinden wir zum Beispiel Licht als weiß, wenn jede der drei Zellarten reagiert, also Photonen von kurzer, mittlerer, und langer Wellenlänge in diesem Licht vorhanden sind.

Und was ist ein Spektrum?

Die Verteilung der Wellenlängen im Licht, also "wie viel von jeder Wellenlänge dabei ist", nennt man Spektrum. Mit einem bestimmten Instrument, genannt Spektroskop oder Spektrometer, kann man das Spektrum einer Lichtquelle messen. In wissenschaftlichen Schriften wird ein Spektrum fast immer in einem Diagram dargestellt, wie im folgenden Beispiel des Spektrums der Sonne:

• auf der x-Achse befindet sich die Wellenlänge (hier in Nanometer, $\textrm{nm}$),
• und für jeden kleinen Wellenlängenbereich der x-Achse kann man auf der y-Achse ablesen, wie viel Energie in diesem Wellenlängenbereich empfangen wird. Genauer gesagt gibt man diese Energie pro Zeiteinheit, pro Empfängerfläche, und pro Längeneinheit des Wellenlängenbereichs an. Aber darauf kommen wir später zurück. Man kann auch sagen, das Werte der y-Achse direkt mit der Anzahl der Photonen zusammenhängt, die in diesem Wellenlängenbereich empfangen werden. Je mehr Photonen, desto mehr Energie, und desto höher der Wert auf der y-Achse.

Bildquelle: ESA / CNRS

Wie schon angesprochen bestimmt das Spektrum des Lichts die von uns wahrgenommene Farbe. Allerdings können unterschiedliche Spektra die gleiche Farbe ergeben. Die wahrgenommene Farbe sagt uns also nur ganz grob, mit welchem relativen Anteil die sichtbaren lang-, mittel-, und kurzwelligen Photonen verteilt sind. Dagegen sehen wir das in einem Spektrum ganz genau.

Das Spektrum der Sonne

Betrachtet man das Spektrum der Sonne, sieht man, dass ihre Strahlung ein sogenanntes Kontinuum ist. Die Sonne strahlt also nicht nur eine, oder mehrere diskrete Wellenlängen ab, sondern durchgehend über einen weiten Wellenlängenbereich.

Neben der kontinuierlichen Strahlung kann man einige schwarze "Absorptionslinien" im Spektrum der Sonne sehen. Im oben gezeigten Diagram sind diese Linien schmale Wellenlängenbereiche, in denen viel weniger Energie empfangen wird als in den benachbarten Wellenlängenbereichen.

In populärwissenschaftlichen Artikeln werden Spektren mit solchen Linien oft in einer anderen Form gezeigt, so dass die Energie in einem Wellenlängenbereich als Helligkeit der Graphik dargestellt wird, so wie hier:

Bildquelle: Wikimedia Commons Nutzer Saperaud

Die erwähnten Absorptionslinien erscheinen so tatsächlich als schwarze Linien oder Bänder.

Aber was sind diese Linien, warum empfangen wir bei bestimmten Wellenlängen weniger Energie? Diese Linien sind Absorptionslinien von Elementen in der Sternatmosphäre (oder hier: Sonnenatmosphäre), also die für Licht durchlässigen äußeren Schichten des Sterns. Man nennt sie auch Fraunhoferlinien. Phototen dieser Wellenlängen werden von der glühenden Sonne zwar produziert, aber dann schon in der Atmosphäre der Sonne von bestimmten Elementen absorbiert. Jede Linie entspricht einem atomaren Übergang eines bestimmten Elementes. Im Bereich des sichtbaren Lichts absorbieren Atome tatsächlich nur Photonen von bestimmten Wellenlängen (und nicht das gesamte Strahlungskontinuum), und so kommt es zu den Absorptionslinien.

Abgesehen von diesen Linien hat das Spektrum der Sonne aber eine sehr besondere Form: es kommt dem Spektrum eines schwarzen Körpers sehr nahe. Auf der nächsten Seite beschreiben wir also, was es mit Schwarzkörperstrahlung auf sich hat.