10.1 Lichtstrahlen

Wenn du in der Natur Szenen wie in Bild 10.2 siehst, kommt dir wahrscheinlich das Wort „Sonnenstrahlen“ sofort in den Sinn.

„Sonnenstrahlen“

Bild 10.2: „Sonnenstrahlen“

Zunächst werden wir uns mit der geometrischen Optik beschäftigen, die optische Phänomene als Zusammenwirken von mehreren geradlinig ausbreitenden Lichtstrahlen erklärt.

10.1.1 Sichtbarkeit von Licht

In Bild 10.3 siehst du ein sehr bekanntes Foto, auf dem die aufgehende Erde über dem Mond zu sehen ist. Du erkennst genau welche Teile der Erde von der Sonne beschienen werden und an der hellen Mondoberfläche siehst du, dass für die Astronauten auf dem Mond gerade Tag ist. Trotzdem ist der Himmel schwarz!

earth rise, Aufgang der Erde über dem Mond, Apollo 8

Bild 10.3: earth rise, Aufgang der Erde über dem Mond, Apollo 8

Das mag paradox klingen, aber Licht selbst ist unsichtbar. Licht kannst du nur sehen, wenn

  • es direkt in dein Auge trifft (du direkt in eine Lichtquelle siehst) oder
  • es auf ein Objekt trifft und einen Teil des Lichts in dein Auge gestreut wird.

Vorsicht: Sieh nie direkt in eine starke Lichtquelle, wie die Sonne oder einen Laser. Das kann dein Auge dauerhaft schädigen.

Auf der Erde ist es am Tag nur deshalb so hell, weil das Sonnenlicht an Teilchen in der Erdatmosphäre gestreut wird. Auf dem Mond, der keine Atmosphäre besitzt, bleibt der Himmel immer schwarz.

Willst du den Strahlengang von Licht sichtbar machen, kannst du zum Beispiel Staub aufwirbeln oder – wie bei Konzerten – künstlichen Nebel erzeugen (Bild 10.4).

Studionebel und Licht-Show

Bild 10.4: Studionebel und Licht-Show

10.1.2 Lichtquellen

Der Ausgangsort von Lichtstrahlen wird als Lichtquelle (engl. light source) bezeichnet. Beispiele sind die Sonne, Kerzen, Glühlampen, LEDs oder Laser.

Eine Lichtquelle sendet üblicherweise Lichtstrahlen in alle Raumrichtungen aus.

Schreibtischlampe mit Schirm

Bild 10.5: Schreibtischlampe mit Schirm

Willst du den Bereich, in dem sich Licht ausbreitet, einschränken, musst du eine Blende (engl. aperture) verwenden (im Bild 10.5 übernimmt diese Aufgabe ein Lampenschirm). Durch eine kleine Blende erhältst du ein eng begrenztes Lichtbündel und damit eine erste Annährung an einen Lichtstrahl.

10.1.3 Arten von Lichbündel

Bei Lichtbündeln werden die folgenden Arten unterschieden:

  • divergentes Bündel: Lichtstrahlen entfernen sich von einem Punkt in verschiedenen Richtungen (Bild 10.6 (a)).

  • konvergentes Bündel: Lichtstrahlen laufen aus verschiedenen Richtungen alle auf einen Punkt zu (Bild 10.6 (b)).

  • Parallel-Bündel: Alle Lichtstrahlen verlaufen in dieselbe Richtung (Bild 10.6 (c)).

Verschiedene Lichtbündel

Bild 10.6: Verschiedene Lichtbündel

10.1.4 Grundannahme der geometrischen Optik

Eine bemerkenswerte Ausnahme unter den Lichtquellen ist der Laser. Er ist so konstruiert, dass er Licht nur in eine Richtung aussendet. Er kommt dem Modell eines einzelnen Lichtstrahls schon sehr nahe.

Laser in einem Labor

Bild 10.7: Laser in einem Labor

Die folgenden Grundannahmen, die du im Bild 10.7 beobachten kannst, werden in der geometrischen Optik vorausgesetzt.

Innerhalb eines Materials breiten sich Lichtstrahlen gerade aus.
Lichtstrahlen durchkreuzen einander, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.

Daraus kannst du erkennen, dass Lichtschwerter – auch wenn sie sehr effektvolle Waffen in Filmen sind – physikalisch unmöglich sind.

10.1.5 Lochkamera

Wenden wir die Grundannahme der geometrischen Optik auf ein konkretes Beispiel an. In Bild 10.8 siehst du was passiert, wenn du einen Gegenstand vor einem Schirm stellt. Da von jedem Punkt des Gegenstands Lichtstrahlen in alle Richtungen ausgesandt werden und auf dem Schirm von jedem Gegenstandspunkt Lichtstrahlen auftreffen wird der Schirm nur hell sein, ohne dass ein Bild des Gegenstands sichtbar wird.

Kein Bild auf einem Schirm

Bild 10.8: Kein Bild auf einem Schirm

Bringen wir allerdings eine Lochblende zwischen Gegenstand und Schirm (Bild 10.9), dann erreichen wird, das an einen Punkt am Schirm nur mehr wenige Lichtstrahlen aus der Umgebung eines Gegenstandspunktes treffen. Je kleiner das Loch der Blende, desto schärfer wird das Bild des Gegenstands.

Prinzip der Lochkamera

Bild 10.9: Prinzip der Lochkamera

Dabei gibt es aber auch einen Nachteil: Je kleiner das Loch der Blende, desto weniger Lichtstrahlen erreichen den Schirm und umso lichtschwächer wird das Bild.