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Einordnung von Lichtwellen ins elektromagnetische Spektrum

Das optische Spektrum als ein Ausschnitt aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum

Interferenz und Beugung, Polarisierbarkeit, Streuung, Kohärenz - alle diese besprochenen Charakteristika von Licht lassen sich elegant mit einem Wellenmodell des Lichtes erklären, wie wir gesehen haben. Die mathematisch formulierte Theorie der elektromagnetischen Wellen von James Maxwell (Maxwell'sche Gleichungen) beinhaltet alle diese Charakteristika, und da Licht auch die dort theoretisch postulierte Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle aufweist, können wir mit folgender Feststellung schließen:

Zentrale Erkenntnis dieses Lernmoduls
Lichtausbreitung lässt sich als ein elektromagnetischer Transversalwellenvorgang beschreiben.

Wie bereits einleitend erwähnt, stellt diese Feststellung das eine Extrem dar, wie wir Lichtausbreitung beschreiben und vorhersagen können. Zum anderen Extrem, dem Teilchenmodell, das u.a. Phänomene wie den Photoeffekt erklärt, die im Wellenmodell nicht erklärt werden können, sei an dieser Stelle auf das Modul Quantenmechanik verwiesen.

Jede elektromagnetische Welle lässt sich eindeutig durch ihre Frequenz charakterisieren. Abhängig vom Medium (Brechzahl n ), in dem sie sich ausbreitet, ändert sich ihre Fortpflanzungsgeschwindigkeit c (bzw. ihre Wellenlänge λ ) im Vergleich zur Vakuumlichtgeschwindigkeit c 0 (bzw. Vakuumwellenlänge λ 0 ). Alle elektromagnetischen Wellen zusammen bilden das so genannte elektromagnetische Spektrum.

Das optische Spektrum

Für uns sichtbares Licht entsteht, wenn äußere atomare Hüllelektronen von angeregten Zuständen in Grundzustände zurückfallen. Hierbei werden scharf definierte Frequenzen (bis auf die Heisenberg'sche Unschärfe) ausgesendet, die der Energiedifferenz zwischen angeregtem und Grundzustand entsprechen. Bilden aber mehrere Atome zusammen ein Molekül, so beeinflussen sich die sehr eng zusammen liegenden Atomhüllen wechselseitig, und die vorher scharfen Spektrallinien werden verschmiert. Wo vorher nur eine Frequenz emittiert wurde, ist nun ein ganzer Bereich energetisch sehr nah beieinander liegender Übergänge im Molekül möglich, was zu einem ganzen Band mehrerer nahe beieinander liegender Frequenzen führt, die emittiert werden. Moleküle emittieren also kontinuierliche, während Atome diskrete Spektren besitzen.

Das für uns Menschen sichtbare, oder auch so genannte optische Spektrum erstreckt sich über einen Frequenzbereich von ν rot = 4,0 10 14 Hz bis ν violett = 7,9 10 14 Hz , der seinerseits aber nur einen verschwindend geringen Ausschnitt aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum darstellt. Diesen Frequenzen entsprechen aufgrund der Beziehung c = λ ν Vakuumwellenlängen im Bereich von λ violett = 380 nm bis λ rot = 750 nm , wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abb.1
Das optische Spektrum - ein schmales Frequenzband im gesamten elektromagnetischen Spektrum

Warum aber sehen wir Menschen gerade das Licht aus diesem Frequenzbereich?

Warum sehen wir nicht wie Bienen im ultravioletten (UV) oder wie die nachtaktive Boa Constrictor im infraroten (IR) Bereich? Die Antwort darauf liegt in unserer eigenen Evolution begründet. Unsere Hornhaut und Linse im Auge absorbieren Wellenlängen unter 300 nm besonders stark, weswegen wir keine UV-Strahlung sehen können. Infrarote Strahlung nehmen wir nur über unsere Haut bei ausreichender Intensität als Wärme wahr. Als tagaktive Lebewesen ist für unsere Entwicklung das Sonnenlicht entscheidend gewesen. Und dieses weist, wenn man die Sonne idealisiert als schwarzen Strahler betrachtet, ein Maximum der Strahlungsintensität bei λ = 500 nm , also in der Mitte des für uns sichtbaren Spektrums auf. Dies ergibt sich aus dem Wien'schen Verschiebungsgesetz.

Das Wien'sche Verschiebungsgesetz
Für einen schwarzen Strahler der Temperatur T liegt das Strahlungsmaximum des von ihm emittierten Spektrums bei einer Wellenlänge λ max , die durch die folgende Gleichung festgelegt ist: λ max T = b
Hierin ist b = 0,00289775624 mK die so genannte Wien-Verschiebungskonstante.

Somit können wir bei bekannter Temperatur der Sonne (Oberflächentemperatur von T = 5000 K ), wenn wir diese als schwarzen Strahler ansehen, das Strahlungsmaximum ihres emittierten Spektrums zu dem oben erwähntem Wert bestimmen.

Auch die Pflanzen absorbieren mit ihrem Chlorophyll (grün) im sichtbaren, aber roten Bereich, der sich bei genauerer Betrachtung als das eigentliche Strahlungsmaximum der Sonne entpuppt, da die Sonne kein idealer schwarzer Strahler ist. Die den Menschen jahrtausendelang vorherrschend umgebende Farbe im Freien ist das Grün von Blättern und Wäldern gewesen, welches wiederum in der Mitte unseres sichtbaren Bereiches liegt, der sich darum symmetrisch erstreckt.

Warum ist Sonnenlicht weiß?

Sonnenlicht erscheint uns als weißes Licht. Newton erkannte als erster, dass weißes Licht eine ungefähr gleichanteilige Mischung aller Frequenzen des sichtbaren Spektrums ist, die dann in unserem Gehirn den Sinneseindruck weiß hervorruft. Jeder kennt den Versuch, in dem weißes Licht beim Durchgang durch ein Prisma in seine spektralen Anteile zerlegt wird.

Vergleicht man die Spektren von Glühbirne und Sonnenlicht, so fällt auf, dass das weiße Licht einer Glühbirne deutlich mehr Spektralanteile im roten und infraroten Bereich enthält. Diese besitzt als Temperaturstrahler eine Temperatur T G , die deutlich kleiner ist als die der Sonne T S . Daher liegt nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz deren Strahlungsmaximum bei einer größeren Wellenlänge als das der Sonne.

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