Schattenarten

Dieses Zitat von Goethe hast Du vielleicht schon einmal gehört. Häufig metaphorisch genutzt, hat es auch seine physikalische Richtigkeit. Stelle Dir einmal vor, Du schaltest in einem Zimmer eine Lampe an der Decke ein. Das Licht erhellt den Raum – aber auch wirklich den gesamten? Nein, es wird immer Bereiche in diesem Raum geben, die verdunkelt bleiben. Sie liegen im Schatten.

Schatten haben eine besondere Wirkung auf uns. Sie wirken unheimlich und mysteriös. Im folgenden Artikel bringen wir etwas Licht in die Welt der Schatten und Du kannst lernen, wie Schatten entstehen, ob Schatten gleich Schatten ist und warum eine Lampe den Unterschied machen kann.

Schattenarten – Entstehung

Stelle Dir zunächst einen recht einfachen Aufbau vor. Eine punktförmige Lichtquelle, wie eine Taschenlampe, wird angeschaltet und auf einen Tisch gelegt. Damit hast Du bereits die erste wichtige Voraussetzung zur Entstehung von Schatten geschaffen – Du hast eine Lichtquelle.

Punktförmige Lichtquelle

Um die Entstehung von Schatten in der Physik erklären, beginnen wir zunächst mit punktförmigen Lichtquellen. Als Lichtquellen im Allgemeinen bezeichnest Du Körper, die selbst Licht erzeugen können, wie Taschenlampen, Teelichter etc.

Die exakt punktförmigen Lichtquellen sind eine Modellvorstellung. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine geringe räumliche Ausdehnung ihres erzeugten Lichtes besitzen und das Licht optimal bündeln, sodass es gut gelenkt werden kann.

Die Taschenlampe in diesem Experiment sei eine solche punktförmige Lichtquelle. Die Taschenlampe soll dabei einen Gegenstand anstrahlen, den Du im Lichtkegel der Lampe platzierst.

Schatten – Physik

Besagter Gegenstand, der von Deiner Taschenlampe angestrahlt wird, sorgt dafür, dass ein Schatten entstehen kann. Dabei ist wichtig, dass dieser Gegenstand lichtundurchlässig ist. Stelle Dir beispielsweise vor, es handelt sich dabei um eine Kerze. Hinter dieser entsteht nun ein Bereich, an den kein Licht Deiner Taschenlampe dringt. Diesen unbeleuchteten Bereich nennst Du Schatten.

Ein Schatten entsteht also immer, wenn ein Gegenstand von einer Lichtquelle angestrahlt wird.

Kommen wir noch einmal zu unserem Experiment. Stellst Du nun noch hinter Deiner Kerze einen Schirm auf, so siehst Du den Schatten der Kerze auch auf Deinem Schirm. Der Schatten auf dem Schirm wird auch Schattenbild genannt.

In der unten stehenden Abbildung ist das Experiment einmal veranschaulicht und die Entstehung des Schattens konstruiert. Links befindet sich die punktförmige Lichtquelle, deren Lichtstrahlen sich ausbreiten. In Gelb sind diese als Konstruktionsstrahlen dargestellt. Sie breiten sich, am Gegenstand vorbei, strahlenförmig aus. Den Bereich hinter dem Gegenstand erreichen sie jedoch nicht. Dieser bleibt weiterhin im Dunkeln und ist der Schatten des Objekts.

Anhand dieser konstruierten Darstellung lässt sich noch eine weitere Eigenschaft des Schattens feststellen. Schatten sind begrenzt. In der Abbildung stellen die gelben Konstruktionsstrahlen diese Grenze zwischen Licht und Schatten dar. Sie werden auch Randschatten genannt.

Handelt es sich bei der Lichtquelle um genau eine punktförmige Lichtquelle, so entsteht ein einheitlicher Schatten mit scharfen Kanten. Schattenbilder können aber auch durch den Einsatz von mehr als einer punktförmigen Lichtquelle entstehen. Was dies für den Schatten bedeutet, erfährst Du im Folgenden.

Schattenbilder mit zwei Lichtquellen

Als Nächstes steigern wir uns und stellen uns unser Experiment mit zwei punktförmigen Lichtquellen vor. Auch hierbei entsteht ein Schatten. Dieser ist nun jedoch nicht mehr so eindeutig, wie nur mit einer Lichtquelle.

Hier kannst Du die Situation auch wieder als Konstruktion sehen:

Von beiden Lichtquellen werden die Konstruktionsstrahlen am Gegenstand vorbeigezogen. Dabei kommt es zur Überschneidung der Randschatten, was Auswirkungen auf die Tiefe des Schattens hat. Es entstehen drei Bereiche im Gesamtschatten, die in Halb- und Kernschatten unterschieden werden können. Doch worin liegt der Unterschied dieser Bereiche und wie werden sie definiert?

Halbschatten

Zwei Bereiche Deines Schattens sind davon gekennzeichnet, dass sie von einer Lichtquelle im Schatten des Gegenstandes liegen und von der zweiten Lichtquelle mit Licht erreicht werden. Diese beiden Bereiche werden als Halbschatten bezeichnet.

Nun kennst Du schon zwei der drei Bereiche. Was zeichnet den letzten und dunkelsten Bereich aus?

Kernschatten

Kernschatten sind die dunkelsten Bereiche der Schatten. Bei jeder Konstruktion mit mehreren Lichtquellen gibt es immer nur genau einen Kernschatten, an den von keiner der beteiligten Lichtquellen Licht gelangt.

Wichtig anzumerken ist noch, dass je mehr Lichtquellen es gibt, umso mehr Teilschatten sind ebenfalls vorhanden. Der Kernschatten ist dabei jedoch immer die tiefste Ausprägung des Schattens.

Übergangsschatten – ausgedehnte Lichtquelle

Du hast oben bereits festgestellt, dass mit steigender Anzahl von punktförmigen Lichtquellen auch die Schatten komplexer werden und mehr Teilschatten entstehen. Mit steigender Anzahl wird es ab einem bestimmten Punkt immer schwerer, die verschiedenen Teilschatten voneinander zu unterscheiden.

Eine ausgedehnte Lichtquelle, wie eine Neonröhre, kannst Du Dir als unendlich viele einzelne, kleine Lichtquellen vorstellen, die unendlich viele Teilschatten erzeugen. Zwischen dem Kernschatten und dem Randschatten entsteht ein fließender Übergang, welcher als Übergangsschatten bezeichnet wird.

Die Sonne ist ein weiteres Beispiel für eine dieser unendlichen Lichtquellen. Auf der sonnenabgewandten Seite der Erde entstehen ein Kern- und Übergangsschatten.

Wie Du in der obigen Abbildung sehen kannst, bilden sich nicht nur hinter der Erde die Schattenbereiche, sondern es liegt auch immer die Hälfte der Erde im Schatten. Wie also das Licht Dein Zimmer nicht gänzlich erleuchten kann, kann auch die Sonne die Erde nicht komplett erleuchten.

Licht gibt es nicht ohne Schatten und Schatten auch nicht ohne Licht. Ein Umstand, der auch im metaphorischen Sinne Bestand hat.