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2.1 Elektromagnetische Wellen und Licht

Schwingungen und Wellen spielen in vielen Bereichen der Physik eine Rolle. Bei der Ausbreitung von Wellen wird Energie transportiert, ohne gleichzeitig auch Masse zu transportieren. Anschauliches Beispiel ist die Wasserwelle: Fällt ein Stein ins Wasser, breiten sich um diesen Ort Wellenberge und Wellentäler aus. Das Wasser bleibt dabei (über längere Zeit betrachtet) an einem Ort, schwingt nur leicht hin und her; trotzdem wird dabei Energie über weitaus größere Strecken übertragen.

Die beiden wichtigsten Wellenphänomene im Medienbereich sind die Schallwelle und die elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen kennen wir je nach ihren Eigenschaften unter ganz unterschiedlichen Namen, wie Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, oder eben Licht. Bei der Schallwelle schwingt nicht Wasser, sondern Luft; die elektromagnetische Welle wird überhaupt nicht von Materie getragen, sondern besteht in der Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern.

Für beide gilt, daß nur bestimmte Arten dieser Wellen wahrnehmbar sind: So können wir weder Ultraschall hören noch ultraviolettes Licht sehen. Entscheidendes Merkmal ist hier die Frequenz, also die Anzahl der Wiederholungen der Welle pro Zeiteinheit. Frequenzen werden in Hertz (Hz) gemessen, eine Kurzform für Schwingungen pro Sekunde. Weiß man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, so kann man aus der Frequenz die Wellenlänge berechnen, also den Abstand zwischen zwei Wellentälern oder zwei Wellenbergen.

Wenn Sie sich schon einmal mit Tontechnik beschäftigt haben, wissen Sie, daß das menschliche Ohr Schall mit Frequenzen zwischen etwa 16 Hz und 20 kHz (20000 Hz) wahrnehmen kann — mit erheblichen Unterschieden je nach Alter und persönlicher Verfassung des Wahrnehmers. Ähnlich ist es beim Licht, nur daß die vom Auge wahrnehmbaren Frequenzen sehr viel höher sind: etwa 385 THz bis 790 THz (Terahertz, also Billionen Hertz). Da die genauen Werte dieser Frequenzen in der Praxis selten eine Rolle spielen, für die Optik allerdings die Wellenlängen durchaus von Interesse sind, ist es üblich, über verschiedene Lichtfrequenzen als Wellenlängen zu sprechen. (Wegen der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Licht in verschiedenen Medien müßte man genauer sagen: Wellenlängen im Vakuum — in Glas sind die Wellen z.B. ungefähr ein Drittel kürzer.)

Abbildung 1. Spektrum des sichtbaren Lichts

Sichtbares Licht umfaßt ungefähr den Bereich von 380 nm bis 780 nm (Nanometer, also milliardstel Meter oder millionstel Millimeter), wobei auch hier die Grenzen unscharf sind — so wird bereits Licht mit 710 nm nur noch weniger als ein fünfhundertstel so hell empfunden wie Licht mit 555 nm Wellenlänge (übrigens die Wellenlänge, die wir bei gleicher Strahlstärke als am hellsten empfinden). Unterschiedliche Wellenlängen aus diesem Bereich empfinden wir als unterschiedliche Farben, dies wird (nicht sehr genau) illustriert von Abbildung 1. Elektromagnetische Wellen aus dem angrenzenden Bereich mit mehr als 780 nm Wellenlänge bezeichnen wir auch als Infrarot (technisch genutzt z.B. für Fernbedienungen oder als Wärmestrahlung); elektromagnetische Wellen mit weniger als 380 nm als Ultraviolett (jedem bekannt als hautschädigender Teil des Sonnenlichts). (Wesentlich längere bzw. wesentlich kürzere elektromagnetische Wellen bezeichnen wir wieder anders, s. Abbildung 2.)

Abbildung 2. Elektromagnetisches Spektrum

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