Das Lichtbuch (eBook)

Lichtphänomene in Natur und Umwelt

Marc Solioz (Autor)

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2021 | 1. Auflage
192 Seiten
Books on Demand (Verlag)
978-3-7526-8051-5 (ISBN)

Infos

"Das Lichtbuch" erklärt alle wichtigen Licht- und Schattenphänomene und gibt Hinweise, wie und wo in Natur, Umwelt und Siedlungsgebieten man sie beobachten kann. Es beinhaltet zudem viele einfache Experimente mit Hausmitteln, um Lichtphänomene verständlich zu machen. Die Erklärungen sind unterstützt von über hundert Illustrationen und Bildern von Künstlern. Die Themenwahl reicht von der Funktion unserer Augen über die Erzeugung von Licht und Farbe, Laserlicht, Holographie, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Fluoreszenz und Biolumineszenz bis hin zu polarisiertem Licht. Polarisiertes Licht ist in Natur und Umwelt allgegenwärtig. Jede glatte, nichtmetallische Oberfläche wie stilles Wasser, Glasscheiben oder glänzende Autos reflektieren Licht in polarisierter Form. Auch das Licht des blauen Himmels ist, je nach Sonnenstand polarisiert. Damit der Leser polarisiertes Licht erleben kann, liegt dem Buch ein Polarisationsfilter bei. Es ist auch beschrieben, wie man lernen kann, polarisiertes Licht mit den nackten Augen zu sehen. Die Funktionsweise unserer Augen ist in einigem Detail beschrieben, denn die Augen zu verstehen, eröffnet neue Möglichkeiten des Sehens. Entdecken sie Sehkräfte, die sie nicht kannten. Schärfen sie ihre Augen für Licht, Schatten und Farbe und entdecken sie peripheres Sehen. Bauen sie ein Mini-Periskop für erweitertes, dreidimensionales Sehen. Alle in diesem Buch beschriebenen Phänomene sind relativ häufige Erscheinungen und sind so erklärt, dass sie dem interessierten Laien zugänglich sein sollten. Es wurde bewusst darauf verzichtet, seltene Erscheinungen wie Polarlichter oder nachtleuchtende Wolken zu besprechen. Für Leser mit weitergehendem Interesse sind die Formeln der wichtigsten optischen Gesetzmässigkeiten aufgeführt, sind aber nicht notwendig für das Verständnis des Textes. Ein umfangreiches Glossar und eine Beschreibung der wichtigsten digitalen Dateiformate runden Das Lichtbuch ab. Das Lichtbuch ist kein Photobuch von Naturphänomenen, sondern es soll helfen, diese zu verstehen. Der Leser soll Streifzüge in die Natur unternehmen und die Beobachtungen und die schönen Photographien selbst machen. Aber das Buch führt an neue Lichtphänomene und Seherlebnisse heran. Jedes Kapitel ist eigenständig und Das Lichtbuch kann auch wie ein Nachschlagewerk verwendet werden. Wenn man sich Zeit nimmt, führt es sicher zu einigen Aha-Erlebnissen!

Marc Solioz, 1948 in Zürich geboren, lebt mit seiner Frau in Bern. Nach unzähligen wissenschaftlichen Publikationen ist "Das Lichtbuch" sein zweites Sachbuch. Schon als Kind interessierten ihn Naturphänomene und die Biosphäre und entsprechend studierte er Ingenieurwissenschaften in Zürich und Biochemie in den USA. Nebst seinen Forschungsarbeiten über Energiegewinnung durch Zellen und Spurenelemente in der Natur war er als Editor für diverse wissenschaftliche Zeitschriften tätig. Zudem arbeitete er für verschiedene regulatorische Behörden im In- und Ausland als Berater. In seiner Freizeit boten ihm Segeltörns Gelegenheit zu vielen interessanten Naturbeobachtungen.

Textauszug

2. Licht und Farbe

Hier wird erklärt, was Licht ist und wie es erzeugt werden kann, sowohl technisch als auch in der Natur. Jede Lichtquelle hat andere Eigenschaften, die sich auf unsere Wahrnehmung auswirken. Licht führt zu additiven Farbmischungen, Farbstoffe und Pigmente zu subtraktiven. Verschiedene Farbstoffe und Pigmente werden vorgestellt und es wird ein Blick auf die Farbstoffchemie geworfen.

2.1. Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung ist, nach heutigem Verständnis, eine der fünf Grundkomponenten unseres Universums; die anderen vier sind Materie, Antimaterie, dunkle Materie, und dunkle Energie. Elektromagnetische Strahlung umfasst einen enormen Bereich an Wellenlängen, der von 0.01 nm (Gammastrahlen, gamma-rays, γ-rays) bis zu über einem Kilometer für langwellige Strahlung reicht (Abb. 2.1). 'Elektromagnetisch' wird die Strahlung benannt, weil sie sowohl eine elektrische wie auch eine magnetische Komponente besitzt (siehe Abschnitt 2.2). Nur ein ganz kleiner Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums ist mit unseren Augen wahrnehmbar.

Die Wellenlänge des Lichtes wird generell mit λ (Lambda) bezeichnet und wird für sichtbares Licht in nm (Nanometer) angegeben, selten auch als Frequenz in Hz (man sollte sich hier mit den wissenschaftlichen Einheiten etwas vertraut machen, denn sie kommen in diesem Buch immer wieder vor; siehe Erläuterung 2.1). Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums erstreckt sich von 380 bis 780 nm und es ist das, was wir allgemein als 'Licht' bezeichnen. Zum Vergleich: die Größe der kleinsten Bakterien beträgt etwa eine Wellenlänge von rotem Licht (< 1 µm). Bei Wellenlängen unter 380 nm spricht man von ultravioletter Strahlung (UV), und bei solchen über 780 nm von Infraroter Strahlung (IR) oder Wärmestrahlung. Tiere können zum Teil auch UV oder IR Strahlung mit den Augen wahrnehmen, aber der Mensch spürt IR nur auf der Haut als Wärme und zu viel UV als Sonnenbrand. Elektromagnetische Strahlung hat keine Farbe; wir haben lediglich entsprechend unserer Wahrnehmung den verschiedenen Wellenlängen Farben zugeordnet. Die Benennung von Farben ist also ein angelernter Prozess, wie später in diesem Kapitel ausführlicher beschrieben ist.

Abb. 2.1. Spektrum der Elektromagnetischen Strahlung im Universum. Angegeben sind die Frequenzen in Herz (Hz), bzw. die Wellenlängen der Strahlungen in verschiedenen Längeneinheiten. Die wichtigsten Anwendungen sind an den entsprechenden Orten in der Figur angegeben. Vergrößert dargestellt ist der Bereich, der durch das menschliche Auge als Farben wahrnehmbar ist.

Abb. 2.2. Schematische Darstellung einer Lichtwelle. Das elektrische (rot) und das magnetische Feld (blau) stehen senkrecht zueinander. Die Wellenlänge λ ist die Distanz von Wellenberg zu Wellenberg.

Erläuterung 2.1. Schreibweise von Zahlen und Einheiten

k, kilo, 103 = Tausend

M, mega, 106 = Million

G, giga, 109 = Milliarde

c, centi, 10-2 = Hundertstel

m, milli, 10-3 = Tausendstel

μ, mikro, 10-6 = Millionstel

n, nano, 10-9 = Milliardstel

Beispiele: 1 kg = Tausend g, 1 μm = 1 Millionstel m

Nebst dem Sehen mit den Augen hat der Mensch Methoden zum Messen, Erzeugen, und Anwenden elektromagnetischer Strahlen über einen weiten Bereich des Spektrums entwickelt, von den langen Radiowellen, über UKW, Radarwellen, Mikrowellen, bis hin zu sehr kurzwelligen Röntgenstrahlen (X-rays) und Gammastrahlen (γ-rays) der Radioaktivität.

2.2. Licht: Welle oder Partikel?

Entsprechend dem Namen hat Licht und andere elektromagnetische Strahlungen eine elektrische sowie eine magnetische Komponente (Abb. 2.2). Die zwei Felder sind sinusförmige Wellen, die senkrecht zu einander stehen (meist wird zur Erklärung eines Sachverhalts nur die elektrische Komponente gezeigt). Die absolute Orientierung der zwei Felder im Raum kann für jede Lichtwelle eine andere sein.

Durch das ganze Spektrum der elektromagnetischen Wellen gilt: je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie. UV hat also eine höhere Energie als IR. Entsprechend kann UV auch unsere Zellen schädigen (Sonnenbrand, Hautkrebs), während IR, also die Wärmestrahlung, relativ harmlos ist.

Wenn von Licht gesprochen wird, erscheint auch der Begriff 'Photonen' statt 'elektromagnetische Wellen'. Das rührt daher, dass sich Licht in gewissen Experimenten eher wie Partikel (Photonen) als wie Wellen verhält. Quantenmechanisch ist Licht sehr kompliziert und das Wellen-Modell wie auch das Partikel-Modell haben ihre Berechtigung. Alle Phänomene, die in diesem Buch beschrieben werden, können befriedigend mit dem Wellenmodell erklärt werden und ein Verständnis der Erläuterung 2.2 über Wellenpakete ist dazu nicht erforderlich.

In neuerer Zeit entstanden auch die Begriffe Photonik und Quantenoptik. Photonik konzentriert sich hauptsächlich auf die Anwendung von Licht in optischen Technologien, während Quantenoptik, sich mit grundlegenden Aspekten von Licht auseinandersetzt. Aber die Grenze zwischen diesen Begriffen ist verschwommen und die Begriffe werden regional unterschiedlich verwendet.

Erläuterung 2.2. Wellenpakete

Die Vorstellung einer Lichtwelle als "Welle" ist nicht ganz einfach. Wie lange ist eine Lichtwelle und wie muss man sich ihr Anfang oder ihr Ende vorstellen? In der Quantenmechanik spricht man von Wellenpaketen, oder Wellenzügen. Das sind Pakete von lokalisierten (stehenden) Wellen, die als Einheiten unterwegs sind. Sie können aus Licht verschiedener Wellenlängen bestehen und ihr Profil kann sich unterwegs ändern durch Beugung, Brechung, etc.

Laserquellen von CD Spielern senden lange Wellenpakete von ca. 10 cm aus, während andere Lichtquellen viel kleinere Wellenpakete erzeugen. Na-Dampflampen zum Beispiel erzeugen Wellenpakete von etwa 100 Wellenlängen (60 µm).

Die Anzahl Wiederholungen von Interferenzmustern in dünnen Filmen (siehe Kapitel 7.3) sind abhängig von der Grösse der Wellenpakete. Interferenzmuster erzeugt durch das Licht von Na-Dampflampen können also maximal 100 Wiederholungen zeigen.

2.3. Lichtdruck: der Effekt von Licht auf Lichtmühlen und Kometen

Da Lichtstrahlen Energie enthalten, üben sie einen Strahlungsdruck auf Materie aus. Oft wird daher angenommen, dass sich das Flügelrad in den dekorativen Lichtmühlen aufgrund des Strahlendruckes dreht (Abb. 2.3). Zwei Beobachtungen widersprechen dem aber: erstens, wenn der Glaskolben völlig Luftleer gepumpt wird, funktioniert die Lichtmühle nicht mehr und, zweitens, taucht man eine drehende Lichtmühle in kaltes Wasser, kehrt sich die Drehrichtung des Flügelrades. Es wurden mehrere wissenschaftliche Studien über die Lichtmühle durchgeführt und heute ist klar, dass es Temperatureffekte sind, die das Rad zum Drehen bringen.

Bei Kometen spielt jedoch der Strahlendruck eine Rolle. Kleinste Partikel, die sich vom Kometen lösen, werden durch das Sonnenlicht in einen leuchtenden Schweif gedrückt. Anders als bei einer Sternschnuppe, bei der der Schweif in der Flugbahn verläuft, zeigt der Schweif eines Kometen immer von der Sonne weg, unabhängig von der Bewegungsrichtung des Kometen. Nebst Licht trägt aber auch der Sonnenwind, der aus geladenen atomaren Teilchen besteht, zum Schweif des Kometen bei.

In der Raumfahrt laufen Bemühungen, den Lichtdruck zum Antrieb interstellarer Satelliten zu nutzen. Riesige Sonnensegel von bis zu 1 km2 Fläche sollen dabei den Druck des Lichtes und des Sonnenwindes einfangen. Ein 1 km2 großes Sonnensegel würde eine Antriebskraft von etwa 5 N entwickeln (5 Newton = die Kraft, die auf der Erde fünf Tafeln Schokolade auf die Unterlage ausüben). Das Hauptproblem ist, eine stabile, leichte und faltbare Konstruktion für solch riesige Sonnensegel zu entwickeln.

Abb. 2.3. Lichtmühle (Crookes Radiometer, benannt nach seinem Erfinder Sir William Crookes). Das Flügelrad im Glaskolben besitzt vier Flügel, meist aus Glimmer, die auf der einen Seite glänzend und auf der anderen Seite mit Ruß geschwärzt sind. Das Rad ist reibungsarm auf einer Nadelspitze gelagert und im Glaskolben herrscht ein Unterdruck. Fällt Sonnen- oder Kerzenlicht auf das Rad, beginnt es sich zu drehen, und zwar mit den glänzenden Seiten voran.

2.4. Die Erzeugung von Licht

Licht steht in ständigem Austausch mit den Elektronen der Materie. Elektronen können Licht absorbieren, verändern, speichern, und aussenden, was sich in den vielfältigen Phänomenen wie Brechung, Beugung, Interferenz, Fluoreszenz etc. wiederspiegelt. Zur Erzeugung von Licht werden die Elektronen in der Materie auf verschiedene Weise in einen höheren Energiezustand gebracht, aus dem sie dann unter Aussenden von Licht wieder in den Grundzustand zurückkehren (Abb. 2.4). Viele schöne Beispiele von Lichterzeugung in der Natur wurden auch von Hallmann (2020) beschrieben.

Abb. 2.4. Anregung von Elektronen....

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 13.7.2021
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik
• ISBN-10: 3-7526-8051-2 / 3752680512
• ISBN-13: 978-3-7526-8051-5 / 9783752680515