Peter Köpke
2 Licht und andere elektromagnetische Strahlung
2.1 Grundlagen
Elektromagnetische Strahlung ist Energie, die von jeder Materie mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) abgestrahlt wird und die sich ohne tragendes Medium, d.h. auch im luftleeren Raum, ausbreiten kann. Ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung ist das sichtbare Licht mit seinen verschiedenen Farben, aber es gibt auch nicht sichtbare Strahlung, die denselben Gesetzen gehorcht. Diese Strahlungsgesetze werden im Folgenden besprochen, wobei aus Gründen der Lesbarkeit in aller Regel das Adjektiv „elektromagnetisch“ weggelassen und nur von „Strahlung“ gesprochen wird.
2.1.1 Farbe, Wellenlänge und Frequenz: Eigenschaften der Strahlung
Elektromagnetische Strahlung zeigt in einigen physikalischen Versuchen eindeutig die Eigenschaften von Wellen, in anderen die von einem Strom masseloser Teilchen, die Strahlungsquanten oder Photonen genannt werden. Dieser „Welle-Teilchen-Dualismus“ erlaubt es, die unterschiedlichen Eigenschaften von Strahlung mit dem menschlichen Vorstellungsvermögen in Einklang zu bringen.
Bei der Betrachtung der Strahlung als Welle kann diese grundlegend durch ihre Wellenlänge λ [m] charakterisiert werden, d.h. dem Abstand zwischen zwei Punkten der Welle mit gleicher Phase (z. B. der Abstand zwischen zwei Wellenbergen). Im Bereich sichtbaren Lichts entsprechen unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung jeweils unterschiedlichen Farben. Von violett über blau, grün, gelb und rot steigen die Wellenlängen von rund 400 nm auf rund 750 nm (1 nm entspricht 10–9 m oder 10–3 μm).
Wie gesagt ist elektromagnetische Strahlung nicht auf den sichtbaren Bereich beschränkt, sondern überdeckt einen Wellenlängenbereich von vielen Zehnerpotenzen (Abb. 2.2). Strahlung bei genau einer Wellenlänge, in der Praxis aus einem sehr engen Wellenlängenintervall, wird „monochromatisch“ genannt. Diese Bezeichnung ist auch außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs verwendbar.
Wird zur Beschreibung der Strahlung das Photonenbild verwendet, so wird die Unterscheidung über die Energie E [J] des einzelnen Strahlungsquants getroffen. Diese ist gegeben durch das Gesetz von A. Einstein:
Dabei ist h eine Naturkonstante, das Plancksche Wirkungsquantum, und ν [1/s] die Frequenz der Strahlung, also die Zahl der Schwingungen in einer vorgegebenen Zeit, üblicherweise pro Sekunde. Diese Einheit trägt die Bezeichnung Hertz (Hz) (1 Hz entspricht 1/s).
Elektromagnetische Strahlung pflanzt sich im luftleeren Raum unabhängig von ihrer Photonenenergie oder Frequenz immer mit der Lichtgeschwindigkeit c fort, eine Konstante mit dem Wert c = 2,9979 108 m/s. Für die Kombination von Frequenz, Lichtgeschwindigkeit und Wellenlänge gilt
woraus sich der Zusammenhang zwischen der Photonenenergie und der Wellenlänge ergibt:
Die Photonenenergie, die Energie eines einzelnen Photons, ist also umgekehrt proportional zur Wellenlänge der Strahlung. Das bedeutet, dass die Energie eines einzelnen Photons umso höher ist, je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist.
A. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für dieses Gesetz des fotoelektrischen Effekts, während die Relativitätstheorie in der Begründung der Preisvergabe nicht explizit genannt wurde.
Die pauschale Aussage, dass kurzwellige Strahlung energiereicher ist als Strahlung mit größerer Wellenlänge, ist jedoch falsch. Zwar sind die einzelnen Photonen bei der Strahlung mit der kürzeren Wellenlänge energiereicher, aber die Energie der Strahlung als Ganzes ergibt sich ja als Produkt aus der Zahl der Photonen in einem vorgegebenen Zeitraum und der Energie des einzelnen Photons. Damit kann die Energie von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmender Wellenlänge durchaus zunehmen, obwohl die Energie des einzelnen Photons aufgrund der zunehmenden Wellenlänge abnimmt, einfach weil die Zahl der Photonen überproportional steigt. Dies ist keine Besonderheit, sondern gilt immer für Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer sind als die des Strahlungsmaximums.
Im Photonenbild kann monochromatische Strahlung als ein Strom von Photonen mit einheitlicher Energie aufgefasst und eine Strahlungsleistung als Zahl der Photonen pro Zeiteinheit angegeben werden. Für die Darstellung der gleichen Strahlung im Wellenbild kann diese als viele verschiedene hintereinander laufende Wellenzüge mit gegebener Wellenlänge λ aufgefasst werden. In Abbildung 2.1 sind mehrere solche Wellenzüge mit fester Wellenlänge dargestellt, die sich in Richtung z ausbreiten. Aufgrund der Dauer einer Emission von rund 10–8 s (Hecht, 2005) ergibt sich aus der Lichtgeschwindigkeit eine Länge der Wellenzüge von rund 3 m. (Die Länge der einzelnen Wellenzüge ist in der Abbildung aus Gründen der Veranschaulichung zu kurz dargestellt; sie ist in Wirklichkeit mehr als eine Million mal so groß wie die Wellenlänge). Jeder einzelne Wellenzug schwingt dabei senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, wie bei einem Seil, das geschwungen wird, und ist somit eine transversale Welle. Bei natürlicher Strahlung (beispielsweise Strahlung von der Sonne oder von irdischer Materie emittiert) ist die Ebene der Schwingung für jeden der unendlich vielen Wellenzüge beliebig orientiert und unabhängig voneinander. Wie gesagt, und in Abbildung 2.1 gezeigt, schwingt jeder einzelne Wellenzug senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung z. Aber die jeweilige Lage dieser Schwingung in der x-y-Ebene ist statistisch gleich verteilt – alle Richtungen kommen gleich häufig vor. Damit gibt es für die gesamte Strahlung, als Summe aller Wellenzüge, keine Vorzugsrichtung der Schwingungsebene.
Abb. 2.1
Elektromagnetische Strahlung als Wellenzüge mit unterschiedlicher Schwingungsrichtung.
Eine solche Strahlung, mit statistisch gleich verteilten Schwingungsrichtungen, wird als „unpolarisiert“ bezeichnet. Strahlung, bei der alle Wellenzüge die gleiche Schwingungsrichtung haben, die gleiche Lage der Schwingungsebene in x-y-Richtung, ist dagegen „polarisiert“, genauer gesagt 100 % linear polarisiert. Dieser Zusatz „linear“ ist nötig, da durch Phasenverschiebungsvorgänge auch noch andere Polarisationsformen auftreten können. Weiterhin ist die Angabe eines Polarisationsgrades – zwischen 0 % (unpolarisiert) und 100 % (vollständig polarisiert) – nötig, da die Polarisation nicht zwangsläufig vollständig sein muss.
Die Strahlung aus der Umgebung, das Licht, das gesehen oder fotografiert wird, ist immer teilweise polarisiert. Damit kann durch Polarisationsfilter in Sonnenbrillen die Blendung reduziert werden und durch Polarisationsfilter vor einem Fotoapparat der Bildeindruck verändert werden – ein gestalterisches Mittel.
Die Wirkung von Streu- und Reflexionsprozessen als Ergebnis der Wechselwirkung der Strahlung mit Materie ist abhängig von der Schwingungsrichtung des ankommenden Wellenzugs. Das kann dazu führen, dass ursprünglich unpolarisierte Strahlung nach Reflexion unter einem bestimmten Winkel in einer Schwingungsrichtung dominiert, also durch den Reflexionsprozess polarisiert wird. Auch bei den Streuprozessen, wie sie auf dem Weg durch die Atmosphäre zum Satelliten stattfinden, kann eine Schwingungsrichtung bevorzugt werden, sodass auch die ursprünglich unpolarisierte Sonnenstrahlung zumindest teilweise polarisiert wird. So ist