Modul 3: Wechselwirkungen von Licht und Materie

Im dritten Modul behandeln wir Themen wie Reflexion, Dispersion, Interferenz und Absorption

Mike Weidemann

4/7/2025

multicolored wall in shallow focus photography

Modul 4: Optische Systeme und Abbildung

Modul 3: Wechselwirkungen von Licht und Materie

7. Reflexion und Brechung

Trifft Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien, wird es teilweise reflektiert und teilweise gebrochen. Reflexion bedeutet, dass das Licht an der Oberfläche zurückgeworfen wird (z. B. an einem Spiegel). Bei der Brechung ändert sich die Richtung des Lichtstrahls aufgrund einer veränderten Ausbreitungsgeschwindigkeit im neuen Medium. Der Brechungsindex n eines Materials gibt an, wie stark Licht dort abgebremst wird. Je höher n, desto langsamer ist das Licht. Das Snellius'sche Gesetz beschreibt die Brechung mathematisch:

n₂/n₁ = sin(α₁)/sin(α₂)

Dabei ist α₁ der Einfallswinkel, α₂ der Brechungswinkel.

FACT: Spiegel-Scans, Moving Heads und Lichtkegel auf Nebel funktionieren nur, weil Reflexion und Brechung gezielt eingesetzt werden.

8. Totalreflexion

Wenn Licht aus einem optisch dichteren Medium auf ein dünneres trifft (z. B. Glas auf Luft) und der Einfallswinkel einen bestimmten Grenzwinkel überschreitet, wird das Licht vollständig reflektiert – es tritt nicht mehr ins zweite Medium über.

FACT: Glasfaserleitungen leiten Licht über große Distanzen – dank Totalreflexion ohne sichtbare Verluste.

9. Dispersion

Bei der Dispersion wird Licht in seine spektralen Bestandteile aufgespalten, z. B. durch ein Prisma. Der Effekt entsteht, weil Licht unterschiedlicher Wellenlängen in einem Medium unterschiedlich stark gebrochen wird – kurzwelliges (blaues) Licht stärker als langwelliges (rotes). Das Ergebnis: ein sichtbares Farbspektrum, wie beim Regenbogen.

FACT: Prismeneffekte in Moving Heads nutzen die Dispersion, um Regenbogenfarben oder spektrale Aufspaltungen auf Bühnen zu erzeugen.

10. Polarisation

Unpolarisiertes Licht schwingt in alle Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Durch Filter, Reflexion oder Streuung kann man Licht polarisieren, sodass es nur noch in einer Richtung schwingt. Polarisationsfilter werden in der Fotografie, 3D-Brillen und im Lichtdesign gezielt eingesetzt.

FACT: Polarisationsfilter helfen bei Kamerashows, Reflexe zu steuern oder 3D-Effekte mit speziellen Brillen sichtbar zu machen.

11. Interferenz

Wenn sich zwei oder mehr Lichtwellen überlagern, können sie sich gegenseitig verstärken (konstruktive Interferenz) oder auslöschen (destruktive Interferenz). Typische Beispiele: schillernde Ölfilme oder Seifenblasen. Im Lichtdesign lassen sich durch Interferenz spezielle Farbeffekte erzielen.

FACT: Schillernde Seifenblasen- oder Ölfilm-Effekte in Projektionen basieren auf Interferenz – gezielt steuerbar für visuelle Stimmungen.

12. Beugung

Beugung beschreibt die Ablenkung von Licht an Kanten oder kleinen Öffnungen. Dabei wird Licht in Bereiche gelenkt, die nach rein geometrischen Regeln im Schatten liegen müssten. Dieser Effekt zeigt sich z. B. bei Licht, das durch eine feine Lochblende fällt.

FACT: Beugung wird bei Laser-Shows genutzt, um feine Linien oder Netzstrukturen sichtbar zu machen, etwa mit Gittern oder Gratings.

13. Absorption und Transmission

Wenn Licht auf Materie trifft, wird ein Teil der Strahlung absorbiert – die Energie wird in Wärme umgewandelt. Der verbleibende Anteil wird transmittiert, also weitergeleitet. Die Intensität nach dem Durchgang hängt von Material, Dicke und Konzentration ab und kann mit dem Lambert-Beer'schen Gesetz beschrieben werden:

I = I₀ × e^(−εcd)

Dabei ist:

I₀ = Anfangsintensität, I = Intensität nach Absorption,

ε = Extinktionskoeffizient, c = Konzentration, d = Schichtdicke.