Materie

Eigenschaften

Optische Eigenschaften

Die Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre bewirkt, dass die Sonne rot erscheint und dass das in größerem Winkel gestreute Sonnenlicht blau ist.

Bei einer Temperatur von 2700 K liegt das Intensitätsmaximum im Infrarotbereich. Die Glühwendel emittiert nur zirka 3 % ihrer Strahlungsleistung als sichtbares Licht, den Rest als Wärmestrahlung.

In durchsichtigen bzw. transparenten Materialien („Medien“) können sich Elektromagnetische Wellen wie beispielsweise Licht ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist dabei geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das Verhältnis zwischen der Vakuumlichtgeschwindigkeit und der Lichtgeschwindigkeit in Materie heißt Brechungsindex.

Beim Durchgang durch ein transparentes Medium werden auch Teile des Lichtes absorbiert oder gestreut.

Bei Absorption nimmt die Intensität des Lichtes mit zunehmender Wegstrecke exponentiell ab. Wie schnell dies geschieht, wird durch den Absorptionskoeffizienten bestimmt. Falls Licht einer bestimmten Farbe besonders stark absorbiert wird, wie dies in Farbstoffen der Fall ist, entspricht der Farbeindruck des durchgehenden, nicht absorbierten Lichtes dem der entsprechenden Komplementärfarbe. Bei Fluoreszenz wird das absorbierte Licht bei höherer Wellenlänge wieder emittiert. Durch diesen Effekt kann man Ultraviolett-Anteile des Sonnenlichts in den sichtbaren Spektralbereich verschieben, was man beispielsweise bei Textmarkern ausnutzt. Phosphoreszierende Materie leuchtet auch bei Abschalten des Lichtes noch nach.

Bei Streuung unterscheidet man zwischen Mie-Streuung und Rayleigh-Streuung. Mie-Streuung, wie zum Beispiel an Nebel oder an Wolken, ist unabhängig von der Wellenlänge und das Streulicht erscheint in derselben Farbe wie das einfallende Licht. Bei Rayleigh-Streuung wird Licht kürzerer Wellenlänge stärker gestreut. Wenn das einfallende Licht weiß ist, erscheint das Streulicht dann blau und das durchgehende, nicht gestreute Licht rot. Dieser Effekt tritt bei Durchgang des Sonnenlichtes durch trockene Luft auf und ist die Ursache sowohl für die blaue Farbe des Himmels als auch für die rote Farbe der untergehenden Sonne.

Elektromagnetische Wellen, die auf die Grenzfläche zweier Medien, wie zum Beispiel auf eine Wasseroberfläche treffen, werden dort teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Bei Brechung treten sie durch die Grenzfläche hindurch. Beim Übergang vom optisch dünneren Medium, das heißt dem mit dem geringeren Brechungsindex, in ein optisch dichteres Medium wird Licht zum Lot hin gebrochen; der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung und der Senkrechten zur Grenzfläche ist also im optisch dichteren Medium (im obigen Beispiel Wasser) kleiner als im optisch dünneren (im obigen Beispiel Luft). Der genaue Zusammenhang von Einfalls- und Ausfallswinkel ist durch das Snelliussche Brechungsgesetz gegeben. Bei Reflexion haben Einfallswinkel und Ausfallswinkel den gleichen Betrag, aber unterschiedliche Vorzeichen. Die Verhältnisse der transmittierten, das heißt gebrochenen, und der reflektierten Intensitäten zur einfallenden Intensität folgt den Fresnelschen Formeln.

Zur selbstleuchtenden Lichtquelle wird Materie, wenn sie ausreichend erhitzt wird. Generell emittiert Materie Elektromagnetische Wellen mit kontinuierlicher Wellenlängeverteilung, deren Intensität proportional zur vierten Potenz der Temperatur zunimmt (Stefan-Boltzmann-Gesetz). Die Wellenlänge, bei der das Intensitätsmaximum liegt, nimmt umgekehrt proportional zur Temperatur ab (Wiensches Verschiebungsgesetz). Bei hohen Temperaturen liegt ein Teil der emittierten Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und der Körper leuchtet bzw. „glüht“. Beispiele sind die Sonne, die Glühwendel einer Glühlampe oder Flammen. Den langwelligen, nicht sichtbaren Teil seines Spektrums nennt man Wärmestrahlung. Bereits bei niedrigeren Temperaturen leuchtet das Gas in Gasentladungen wie zum Beispiel in Leuchtstofflampen oder Halogenmetalldampflampen. Sein Licht hat bei bestimmten, charakteristischen Wellenlängen Intensitätsmaxima, die seinen Farbeindruck bestimmen.

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