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Lichtemission: Atome und Moleküle senden Licht aus, indem Elektronen von einem energetisch hohen Niveau in ein niedrigeres Niveau fallen, die dabei frei werdende Energie, also die Energiedifferenz der
Niveaus, kann in Form eines Photons abgegeben werden, Energie muss aber vorher zugeführt werden (z. B. chemische Reaktion, Stromfluss oder Wärme)
Lumineszenz: Erzeugung von Licht, ohne dass Materie erhitzt wird oder brennt
Möglichkeiten der Lichtaussendung:
thermisch (Sonne, Glühbirne, Blitze, Kerze),
Stromfluss (LED, Neonröhre),
chemisch (Chemolumineszenz, Biolumineszenz),
optisch (Fluoreszenz, Phosphoreszenz),
divers (magnetisch bei Polarlicht, akustisch bei Sonolumineszenz, radioaktiv, mechanisch bei Reibung, Mikrowellen)
Lumen: Leistungsangabe in \(\si {\watt }\) (wie bei Glühbirnen) ist für den Beobachter uninteressant, da viel Licht im Infraroten abgestrahlt wird, außerdem ist das Auge für
unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich empfindlich (bei \(\SI {550}{\nano \meter }\) ist das Auge am empfindlichsten), stattdessen integriert man, \(\int S(\lambda ) L(\lambda ) d\lambda \), wobei
\(S(\lambda )\) die Empfindlichkeit und \(L(\lambda )\) die Leistung bei Wellenlänge \(\lambda \) ist, teilt man dann noch durch die Leistung, erhält man ein Maß für die Effizienz (Einheit \(\si
{\lumen \per \watt }\)), z. B. hätte eine ideale Lampe \(\SI {680}{\lumen \per \watt }\) (Glühlampe \(\SI {15}{\lumen \per \watt }\), LEDs \(\SI {50}{\lumen \per \watt }\))
thermische Lichtquellen: Sonne, Blitz, Feuer
schwarzer/Planckscher Strahler: kleines Loch in einem beheizten Körper, absorbiert einfallende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge
vollständig
Plancksches Strahlungsgesetz: Gesetz für die Abstrahlung (Strahldichte \(L\) in \(\si {\watt }\) in Abhängigkeit von \(\lambda \) und \(T\)) thermischer
Quellen
Stefan-Boltzmann-Gesetz: gesamte abgestrahlte Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur \(T\), \(P(T) \sim T^4\)
Wiensches Verschiebungsgesetz: für das Maximum der Abstrahlung gilt
\(\lambda _{\text {max}} T = \SI {2898}{\micro \meter \kelvin }\)
Sonne: wichtigste Licht-/Energiequelle, im Inneren \(15\) Millionen Grad heiß, außen \(\SI {5800}{\kelvin }\)
Kerzen: Stearin der Kerze wird durch die Hitze geschmolzen, wandert im Docht durch Kapillarkräfte nach oben und wird verdampft
Gasbrenner: höhere Temperaturen durch Verbrennung von Mischung aus Sauerstoff und Brennstoff
Glühbirne: dünner Draht (Wolfram ist geeignet) wird durch Stromfluss erwärmt
Halogenlampe: funktioniert wie Glühbirne, nur werden dem Füllgas Halogene beigemischt, damit Lebensdauer und Effizienz verbessert werden, höhere Temperatur der
Glühwendelt ergibt natürlicheres Licht (Spektrum liegt näher beim Sonnenlicht)
Feuerwerkskörper: Verbrennung von Mangan zu Manganoxid, Farbe durch Zusätze (Nitrate)
Blitze: besonders im Sommer führt starke Sonneneinstrahlung dazu, dass feuchtwarme Luft nach oben steigt und kondensiert, in den entstehenden Wolken gibt es starke Aufwinde, sodass Regentropfen nach
oben getragen werden und gefrieren, durch Reibungsprozesse erfolgt Ladungstrennung, Wolke wird negativ geladen, Boden hat positive Spiegelladung, Spannungen von bis zu \(\SI {200000}{\volt }\) reichen allerdings nicht
für Überbrückung der Luft aus (\(\SI {2.5}{\mega \volt \per \meter }\) Durchbruchfeldstärke), teilweise noch ungeklärt,
zuerst bildet langsamer Leitblitz einen \(\SI {1}{\meter }\) breiten Kanal mit ionisierter Luft, also hoher Leitfähigkeit, dann bewirken mehrere schnelle Hauptblitze den eigentlichen Ladungsausgleich, \(\SI
{30000}{\celsius }\), \(\SI {100}{\bar }\), hohe Temperatur führt zu einer starken Stoßionisation in der Luft, die Anregung von Elektronen bewirkt, die ihre Energie teilweise in Form von Licht abgeben (nur \(\SI
{0.1}{\percent }\) ist Licht und Schall), Blitz flackert wegen den mehreren Hauptblitzen
Erdblitze/Wolkenblitze: laufen von Erde zu Wolke/finden zwischen Wolken statt
Linienblitze/Flächenblitze: ohne Verästelung/von Hauptast gehen fein verzweigte
Blitzbahnen ab
Länge: Vertikalblitze meistens \(\SI {5}{\kilo \meter }\) bis \(\SI {7}{\kilo \meter }\), Horizontalblitze können auch dutzende Kilometer überbrücken (Blitz aus heiterem
Himmel)
Blitz als Energiequelle: nicht sinnvoll, da nur \(\SI {25}{\kilo \watt \hour }\) pro Blitz nutzbar
Thermolumineszenz: durch Erwärmung wird Licht ausgesendet, darf nicht mit thermischen Lichtquellen verwechselt werden, da bei Thermolumineszenz bereits gespeicherte Energie (durch das Erhitzen) als
Licht freigesetzt wird
radioaktive Lichterzegung: radioaktive Strahlung wird durch Lumineszenz in sichtbares Licht umgewandelt, auch ewiges Licht wegen der hohen Halbwertszeiten
Sonolumineszenz: Ultraschallanregung einer Flüssigkeit führt zur Bildung mikroskopischer Blasen, die anschließend extrem schnell kollabieren, hohe frei werdende Leistung führt zur
Photonenaussendung
Tribolumineszenz: (teilweise) Umwandlung von Reibungsenergie zu Licht (z. B. schnelles Abrollen von Klebebändern erzeugt Röntgenstrahlen)
Leuchtstofflampen: umgangssprachlich Neonröhren, auch Gasentladungslampen, ein von Strom durchflossenes Gas (z. B. Quecksilberdampf) in einer teilevakuierten Röhre gibt dabei (in der
Regel ultraviolette) Strahlung ab, die durch eines fluoreszierende Leuchtschicht in sichtbares Licht umgewandelt wird, verschiedene Beschichtungen führen zu verschiedenen Farben, durch Glühemission erzeugte
Elektronen werden beschleunigt und regen Atome an, Vorteile sind hohe Effizienz, lange Lebensdauer und variable Farbtemperatur, Nachteil Gefährlichkeit (Lücke in Beschichtung, oder Loch in Röhre)
Stromsparlampen: sind eigentlich gewöhnliche Leuchtstofflampen, nur mit gebogenen Röhren zur Verringern der Größe
Straßenlaternen: ebenfalls meistens Entladungslampen, oft Natriumdampflampen, die rosarot und dann gelb-orange leuchten
Fluoreszenz/Phosphoreszenz: Anregung von Elektronen in Atomen durch Licht,
die Energie (und damit Frequenz) der abgestrahlten Photonen kann geringer sein, wenn Elektronen über Zwischenniveaus zurückfallen,
Unterscheidung anhand der Zeitdauer Anregung – Reemission, für Zeiten kleiner \(\SI {e-4}{s}\) spricht man von Fluoreszenz, ansonsten Phosphoreszenz (bis zu mehreren Stunden)
Fluoreszenz: Leuchtfarben (z. B. in Rettungswesten, Textmarkern) erhalten ihre Leuchtkraft durch Fluoreszenz, kurzwelliges (blaues und ultraviolettes) Licht wird in orangefarbiges Licht konvertiert, d. h.
mehr Licht im gelb-roten Spektralbereich wird emittiert als überhaupt im Anregungslicht vorhanden war, also leuchtet die Weste wesentlich heller als bspw. eine orangefarbig lackierte Fläche, analog Weißmacher
in Waschmittel (UV-Licht wird umgewandelt) sowie Geldscheine
Fluoreszenz und Totalreflexion: z. B. Eislöffel, transparente Stühle und CD-Hüllen (Kunststoffe mit fluoreszierenden Farbstoffen), Licht wird im Kunststoff unter beliebigen Winkel
reemittiert, u. U. Totalreflexion, Licht ist gefangen (analog Glasfaser) und kann erst an einer Kante das Material verlassen, d. h. Kante leuchtet
Chemolumineszenz: chemische Reaktion sorgt für die Anregung der Elektronen, z. B. Leuchtstäbe zur Absicherung von Unfallstellen (zwei Chemikalien sind getrennt und kommen beim
Knicken zusammen), Bezeichnung „kaltes Licht“, da kaum Wärme entsteht, hoher Wirkungsgrad
Biolumineszenz: Chemolumineszenz von Lebewesen, z. B. durch Glühwürmchen, Pilze, Tiefseebewohner, dient der Tarnung, Anlocken von Beute, Blendung von Angreifern und Kommunikation
LEDs: lichtemittierende Dioden, basiert auf einem pn-Übergang (Elektrolumineszenz), Vorteile robust, preiswert, lange Lebensdauer, hohe Effizienz und klein, Energiekonversion hat Effizienz von fast \(\SI
{100}{\percent }\), aber nicht alle Photonen können verlustfrei nach außen gelangen, daher Gesamteffizienz von \(\SI {30}{\percent }\) (immer noch hoch)
weiße LEDs: abgestrahltes Licht ist sehr schmalbandig (\(\SI {10}{\nano \meter }\) – \(\SI {50}{\nano \meter }\) Halbwertsbreite), für weiße LEDs gibt es verschiedene Möglichkeiten, am
verbreiteten ist die Nutzung einer fluoreszierenden Konversionsschicht, die das kurzwellige Licht der LED in ein breitbandiges Fluoreszenzlicht umwandelt, z. B. blaue LED und gelbe Konversionsschicht (Blau + Gelb = Weiß,
dichromatische Farbmischung), Nachteil schlechtere Energieeffizienz (Photonen gehen verloren), alternativ mehrere, unterschiedlich farbige LEDs
Polarlichter: Sonnenwind von der Sonne zur Ende (Sonne verliert \(\SI {1}{\tera \gram \per \second }\) an Masse), geladene Teilchen treffen auf Erdmagnetfeld, werden abgelenkt, treten in Atmosphäre
ein und regen Sauerstoff- (grünes Licht) und Stickstoffmoleküle (rotes Licht) an, teilweise auch in niederen Breiten und auf anderen Planeten
Kugelblitz: Existenz ungesichert, viele Berichte, aber Häufigkeit sehr gering
Elmsfeuer: bläuliches Leuchten an Kirchturmsspitzen, Schiffsmasten oder anderen metallischen Spitzen (Zäune), Grund lokale Entladung in starken elektrischen Feldern, hohe Wahrscheinlichkeit
für Blitzeinschlag, widerspricht der Legende, dass Leuchten den Seefahren anzeigt, dass der Sturm nahezu überstanden ist
Irrlichter: Existenz ebenfalls ungesichert, kleine, umherwandernde Flämmchen auf moorigem Boden, Annahme, dass die Ursache für die Flammen in einer Selbstentzündung von aus dem
Boden austretenden Gas (Methan mit Phosphin) liegt