Lichtstrahlen

Du lernst gerade wahrscheinlich für Physik und brauchst ein bisschen Hilfe zum Thema Lichtstrahlen und Lichtbündel. Wir helfen dir! In diesem Artikel lernst du alles zum Modell des Lichtstrahles bzw. Lichtbündel, wie ein solcher entsteht und sich ausbreitet, sowie, was an ihnen untersucht wird. Da wir von Lichtstrahlen sprechen, befinden wir uns in der Strahlenoptik, ein Teilbereich der Optik.

Was sind überhaupt Lichtstrahlen?

Licht besitzt Strahlen-, Wellen- und Quanteneigenschaften und wird allgemein als elektromagnetische Welle definiert. Wir betrachten in dieser Lektion das Modell des Lichtstrahles aus der Strahlenoptik genauer.

Das Modell „Lichtstrahl“ stellt den zurückgelegten Weg von Licht dar. Es soll somit die gereiste Distanz oder den Verlauf von Licht vereinfacht darstellen. Nach diesem Modell breitet sich ein Lichtstrahl oder Lichtstrahlen, von der Strahlungsquelle aus, in jegliche freien Richtungen. Dabei verläuft er immer geradlinig. Auch wenn er auf einen Gegenstand trifft und reflektiert oder gebrochen wird, verläuft er danach gerade weiter. Lichtstrahlen erklären somit keine Eigenschaften von Licht, sondern zeigt nur wie sich das Licht ausbreitet oder bei Brechungen und Reflektionen verhält.

Ein „Lichtstrahl“ meint einen unendlich dünnen Strahl aus Licht. In Realität besteht ein sichtbarer „Lichtstrahl“, so klein die Strahlungsquelle auch sein mag, aus mehreren Lichtstrahlen, die dann als Lichtbündel zusammengefasst werden. Der gesamte bestrahlte Bereich einer Strahlungsquelle kann somit als Lichtbündel definiert werden.

Themengebiete, die zum Modell des Lichtstrahles, gehören sind:

• Geradlinige Ausbreitung von Licht in optisch homogenen Stoffen
• Entstehung von (Halb-)Schatten
• Verhalten des Lichts bei einer Reflektion an Oberflächen
• Verhalten des Lichts bei einer Brechung
• Verhalten des Lichts beim Auge, optischen Bauteilen (wie optische Linsen; ebener, sphärischer und Parabolspiegel) und Geräten (Kamera, Teleskop)

Wie entstehen Lichtstrahlen?

Behalte im Hinterkopf, dass das Modell des Lichtstrahles nur den zurückgelegten Weg untersucht, den das Licht gereist ist. Die Strahlenoptik kann keine Auskunft darüber geben, was Licht ist oder wie es entsteht. Sie ist eine Veranschaulichung der Verbreitung von Licht. Um Licht zu erklären, gibt´s erstmal einen:

Crashkurs zur Wahrnehmung und Quellen von Lichtstrahlen

Von der alltäglichen Sonne, über Feuer und Lampen, bis hin zum Laser sind alle Lichtquellen. Man kann sie in die folgenden Kategorien unterteilen:

• Thermische Strahlungsquellen erzeugen Wärme bei der Erzeugung des (warmen) Lichtes. Die bekannteste thermische Strahlungsquelle ist die Sonne oder das Feuer. Auch eine Rotlicht-Lampe, Glühlampen oder Halogenlampen sind hier zuzuordnen
• Nicht thermische Strahlungsquellen erzeugen wenig/keine Wärme bei der Erzeugung von (kaltem) Licht: chemische Reaktionen (Neonlichter, Glühwürmchen), atomare Vorgänge (LED, Gasentladungslampen) oder Teilchenstrahlung.

Dabei ist das erzeugte Licht für uns nur sichtbar, wenn es eine Wellenlänge λ zwischen ca. 400 und 780 nm (Nanometer) besitzt. Jegliche sichtbaren Farben nimmst du beim Phänomen des Regenbogens wahr. Auch ein weißer Lichtstrahl, so dünn er auch sein mag, kann mit Hilfe eines Prismas in die Spektralfarben aufgeteilt werden:

(Quelle: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7082370 By D-Kuru - Own work, CC BY-SA 3.0 at, )

Entstehung von Licht(strahlen) der Sonne

Die Sonne ist eine der wichtigsten Lichtquellen für uns Menschen, Tiere und Pflanzen. Obwohl wir 147 Millionen km von der Sonne entfernt sind und die Erdatmosphäre als Schutzschicht besitzen, nehmen wir Sonnenstrahlen als warm wahr. Auf der Sonne muss somit permanent eine immense Energie/Licht freigesetzt werden.

Anders als man vermuten würde, brennt die Sonne nicht, sondern es finden Kernfusionen in ihr statt. Dabei schmelzen mehrere leichte Atome eines chemischen Stoffes zu einem schweren Atom eines anderen chemischen Stoffes zusammen, die dann Protonen und Energie überhaben. Diese überstehende Energie wird als Licht freigesetzt.

In einer Sekunde werden auf der Sonne 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium verschmolzen. Die 4,2 Millionen Tonnen an Massendefizit verschwinden nicht einfach. Keine Energie tut das jemals. Sie bilden die Menge an Licht, die von der Sonne pro Sekunde in jegliche Richtungen ausgestrahlt wird.

Im Falle des Modells der Lichtstrahlen, stellt man sich also Millionen von Lichtstrahlen vor, die alle von der Sonne aus in jegliche Richtungen geradlinig verlaufen.

Jegliches Licht besitzt die Lichtgeschwindigkeit c von 299 792 458 m/s im Vakuum aus. Das Licht von der Sonne braucht somit ca. 8 min und 10 Sekunden, um die Erde zu erreichen.

Entstehung von Licht bei Glühlampen

Eine Glühlampe besteht aus einem Glaskolben mit Sockelfassung (zum Anschluss an das Stromnetz), einem Glühdraht, sowie Drähte zur Stromzuführung des Glühdrahtes. Außerdem befindet sich in dem Glaskolben ein Gasgemisch, um das Verdampfen des Glühdrahtes zu dämpfen.

Beim Anschluss der Glühlampe an Strom, fließt Strom durch den Glühdraht, der bis zu 2600°C heiß wird. Diese Hitze bringt den Glühdraht zum Glühen, was ein helles Licht ausstrahlt. Elektrische Energie, also Strom, wird hierbei in Licht umgewandelt.

(Quelle: Pexels, photo by LED Supermarket)

Ausbreitung von Lichtstrahlen

Lichtstrahlen breiten sich immer geradlinig und nach allen Seiten hin aus so lange sie nicht von anderen Körpern daran gehindert werden.

Trifft Licht auf Körper die kein Licht durch lassen wird das Licht absorbiert oder reflektiert.

Hierbei reflektieren helle, glatte Körper das meiste Licht und absorbieren nur wenig.Umgekehrt bei dunklen, rauen Körpern wird das meiste Licht absorbiert.Das kannst du ganz einfach nachvollziehen: Lege ein weißes und ein schwarzes Objekt in die Sonne: das Schwarze wird wärmer weil es mehr Lichtstahlen und damit die Energie dieser absorbiert als das Weiße.

Licht breitet sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit aus. Diese beträgt im Vakuum Diese Geschwindigkeit ist eine wichtige Naturkonstante. Es ist unmöglich sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.In allen anderen Stoffen, auch in der Luft ist damit die Geschwindigkeit des Lichts kleiner als die Lichtgeschwindigkeit:

Stoffe in denen sich das Licht langsamer ausbreitet als in anderen nennt man optisch dichter.Breitet sich das Licht hingegen schneller aus als in anderen Stoffen nennt man diese optisch dünner.

Verhalten von Lichtstrahlen

In Verbindung mit Lichtstrahlen sind die Ausbreitung, Reflexion und Brechung die Hauptbereiche der Strahlenoptik. Du weißt bereits, dass sich Lichtstrahlen geradlinig und mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Schauen wir uns die Reflexion und Brechung genauer an:

Reflexion von Lichtstrahlen

Oberflächen können, abhängig von Material und Glattheit, Lichtstrahlen reflektieren. Dabei werfen sie einen Teil der Lichtstrahlen, die auf sie scheinen, zurück. Bei einer ebenen Oberfläche, wie ein Spiegel, gilt dabei das Brechungsgesetz:

Jeder auftreffende Lichtstrahl verlässt die Oberfläche im selben Winkel, wie der einfallende Lichtstrahl.

(Quelle: https://www.grund-wissen.de/physik/optik/lichtreflexion.html)

In den seltensten Fällen ist eine Oberfläche so glatt und gerade, wie in dieser Grafik. Oberflächen haben von Natur aus Texturen, die oft nur unter Mikroskopen sichtbar werden. Außerdem gibt es gewölbte Oberflächen, wie optische Linsen oder andere Arten von Spiegeln (Parabolspiegel, sphärischer Spiegel), die Licht anders reflektieren lassen.

In den Studysmarter Unterkategorien zur Optik kannst du dich durch jegliche einzelnen Reflektionsfälle durchklicken.

(Quelle: https://www.grund-wissen.de/physik/optik/lichtreflexion.html)

Brechung von Lichtstrahlen

Licht kann beim Aufprall mit der Grenzfläche zweier Stoffe zum Teil reflektiert werden und zum Teil seine Richtung ändern. Diese Richtungsänderung oder Winkelveränderung nennt man Lichtbrechung. Bei der Lichtbrechung trifft ein Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel auf ein Medium und verläuft als gebrochener Strahl weiter. Dabei verläuft er nach der Brechung geradlinig mit dem Winkel zum Lot.

Man untersucht hierbei das Verhältnis der beiden Winkel und als sogenannte Brechzahl, sowie die Auswirkung der verschiedenen Mediums auf den Brechungswinkel und die Geschwindigkeit des Lichtes.

Lichtstrahlen – Alles Wichtige auf einen Blick

• Lichtstrahlen stellen den zurückgelegten Weg von Licht dar
• Sie breiten sich, von der Strahlungsquelle aus, geradlinig und in jede freie Richtung aus
• Licht kann auf viele verschiedene Weisen und mit viel oder wenig Wärmebildung entstehen
• Bei der Reflektion an einer ebenen Oberfläche wird ein einfallender Lichtstrahl mit Winkel , als Lichtstrahl mit dem Winkel ´ zurückgeworfen
• Bei der Brechung von Licht geht ein Lichtstrahl von einem Medium (Bsp.: Luft/Vakuum) in ein anderes (Bsp.: Glas) über und verändert seine Richtung von Winkel zu

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