6.1.1 Ausbreitung von Lichtstrahlen

 

Basiswissen „Lichtquellen“


Optik ist die Lehre vom Licht.
Eine Lichtquelle ist ein Gegenstand oder ein Körper, der Licht aussendet. Man unterscheidet direkte Lichtquellen, die selbst Licht erzeugen und aussenden, und indirekte Lichtquellen, die das Licht anderer Lichtquellen durch Reflexion weiterleiten. Direkte Lichtquellen sind z.B. die Sonne, eine Glühbirne oder ein Feuer. Indirekte Lichtquellen sind z.B. der Mond, der das Licht der Sonne reflektiert, eine weiße Wand oder ein Spiegel, allerdings nur, wenn sie von einer Lichtquelle angestrahlt werden.
Um Licht wahrzunehmen, benötigt man einen Lichtempfänger. Das kann z.B. das menschliche Auge oder der CCD-Chip einer Kamera sein.
Um einen Gegenstand wahrzunehmen, braucht man Licht. Damit das Auge einen Gegenstand sehen kann, muss Licht von diesem Gegenstand ins Auge gelangen, d.h. das Bild eines Gegenstandes wird auf Grund des Lichts erzeugt, das der Gegenstand aussendet. Hierbei spielt es keine Rolle, ob der Gegenstand selbst Licht erzeugt (direkte Lichtquelle oder selbstleuchtender Körper) oder das Licht nur weiterleitet (indirekte Lichtquelle oder nicht leuchtender Körper).



 

Basiswissen „Lichtausbreitung“


Physikalisch betrachtet ist Licht eine elektromagnetische Welle. Das sichtbare Licht beschränkt sich auf den schmalen Wellenlängenbereich zwischen ca. $400\hspace{0.17em}\mathrm{}\mathrm{n}\mathrm{m}$ und ca. $800\hspace{0.17em}\mathrm{}\mathrm{n}\mathrm{m}$.
Für die Ausbreitung von Licht ist die Geschwindigkeit im Vakuum: $c_0=299\hspace{0.17em}792\hspace{0.17em}458{\displaystyle \hspace{0.17em}\mathrm{}\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}}$. Die Größe $c_0$ nennt man die Vakuumlichtgeschwindigkeit.


 

Basiswissen „Der Lichtstrahl“


Aus der Wellenbeschreibung des Lichts lässt sich die Ausbreitungsrichtung über das fermatsche Prinzip ableiten. Dieses besagt, dass das Licht unter verschiedenen möglichen Wegen denjenigen auswählt, bei dem die Laufzeit ein Extremum ist. In der Regel ist es der Weg mit der kürzesten Laufzeit. Aus dem fermatschen Prinzip kann man direkt ableiten, dass sich das Licht im Vakuum und in homogenen Medien zwischen zwei Punkten auf geraden Linien ausbreitet, da diese die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten darstellen. Es bedeutet auch, dass der Weg der Lichtstrahlen umkehrbar ist, denn es ergibt sich zwischen zwei Punkten in jeder Richtung der gleiche kürzeste Weg.
Welleneffekte treten bei Strukturen auf, deren Größenordnung in der Größe der Wellenlänge liegt, im Fall des sichtbaren Lichts also erst bei Strukturen im Mikrometer-Bereich und kleiner.
Für viele optische Phänomene des Alltags muss daher die Wellennatur des Lichts nicht berücksichtigt werden. Man nutzt in diesem Fall das Konzept der Lichtstrahlen. Diese verlaufen in Ausbreitungsrichtung des Lichts. Sie stehen also senkrecht auf der Wellenfront des Lichts. Beschreibt man die Ausbreitung des Lichts mit Hilfe von Lichtstrahlen, nennt man dies Geometrische Optik.

Die Beschreibung von Licht mit Hilfe von Lichtstrahlen ist ein Modell (Idealisierung) zur leichteren geometrischen Darstellung makroskopisch beobachtbarer optischer Phänomene. Im optisch homogenen Medium sind Lichtstrahlen Geraden. Mehrere Lichtstrahlen bilden ein sog. Lichtbündel.

 

Basiswissen „Die Konstruktion von Lichtwegen und Strahlengängen“


Ausgehend von einer Lichtquelle breiten sich Lichtstrahlen in einem homogenen Medium geradlinig in den Raum aus. Eine Glühbirne strahlt dabei in fast alle Raumrichtungen, ein Laser dagegen fast wie ein einziger Lichtstrahl in einen ganz kleinen Winkelbereich.


Im Modell der Lichtstrahlen lässt sich jeder Strahl als eine Gerade, also ohne Ausdehnung auffassen. In diesem Modell wird ebenso die Ausdehnung einer Lichtquelle vernachlässigt. Man spricht von einer punktförmigen Lichtquelle. Für die Beschreibung im Rahmen der geometrischen Optik werden normalerweise ausgezeichnete Strahlen wie z.B. Randstrahlen verwendet. Bei der tatsächlichen Bildentstehung tragen alle Strahlen bei.

 

Basiswissen „Der Schatten“


Trifft ein Lichtstrahl auf einen lichtundurchlässigen Gegenstand, so kommt dahinter kein Licht an. Es entsteht ein Schatten.
Wie in der Abbildung unten in Abbildung a) dargestellt, lässt sich die Ausdehnung des Schattens aus der Geometrie der Lichtquelle und dem Gegenstand konstruieren. Hierfür werden die Lichtstrahlen verwendet, die ausgehend von der Lichtquelle gerade noch nicht den Rand des Körpers treffen und sich somit weiter in den Raum ausbreiten können. Alle Lichtstrahlen zwischen diesen Randstrahlen können auf der Seite des Körpers, der von der Lichtquelle abgewandt ist, nicht registriert werden. Der Schatten entspricht der Projektion des Gegenstandes auf eine Ebene, die sog. Nachweisebene.
Hat man nicht nur eine, sondern zwei (siehe Abbildung b)) oder mehrere Lichtquellen bzw. eine ausgedehnte Lichtquelle (siehe Abbildung c)), so ergeben sich unterschiedliche Bereiche des Schattens: in den Kernschatten fällt gar kein Licht. Als Halbschatten bezeichnet man diejenigen Bereiche, in die nur ein Teil des Lichts fällt.




 

Basiswissen „Die Mond- und die Sonnenfinsternis“


Mond- und Sonnenfinsternis sind nichts anderes als Schattenphänomene. Die Sonne ist hierbei die Lichtquelle.
Bei einer Sonnenfinsternis (siehe a) in der Abbildung unten) schiebt sich der Mond zwischen Sonne und Erde, so dass der Schatten des Mondes auf die Erde fällt. Diese Konstellation ist nur bei Neumond möglich.
In Abbildung b) sind die Verhältnisse bei einer Mondfinsternis dargestellt. Damit der Mond sichtbar wird, muss er von der Sonne angestrahlt werden. Befindet sich nun die Erde auf der Verbindungslinie zwischen Sonne und Mond, so fällt der Schatten der Erde auf den Mond, d.h. der Mond wird nicht beschienen und damit kann auch kein Licht vom Mond zum Auge oder einem anderen Lichtempfänger gelangen. Es kommt zur Mondfinsternis. Diese Konstellation, bei der sich alle drei Körper Sonne, Erde und Mond auf einer Achse befinden und die Erde zwischen Sonne und Mond steht, tritt nur bei Vollmond auf.