Absorption, Transmission und Reflexion sind typische Erscheinungen, wenn Strahlung mit Materie wechselwirkt.
Einleitung
Trifft Strahlung auf einen Gegenstand, so zeigen sich unterschiedliche Phänomene wie die auftreffende Strahlung mit Materie wechselwirken kann. Hierzu zählen folgende Wechselwirkungen:
- Absorption
- Transmission
- Reflexion
Um die Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie zu demonstrieren, wird exemplarisch das sichtbare Licht eines Laserstrahls auf eine weiße und eine schwarze Oberfläche, auf eine Glasscheibe und auf einen Spiegel gerichtet.
Absorption
Während der Lichtfleck an der weißen Oberfläche hell erscheint, zeigt sich der Lichtfleck am schwarzen Gegenstand weniger intensiv. Ein Teil der Lichtenergie wird beim Auftreffen auf die dunkle Oberfläche offensichtlich von dieser aufgenommen und anschließend nicht mehr zurückgeworfen. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als Absorption (lat. absorptio für „aufsaugen“).
Als Absorption bezeichnet man das Aufnehmen von Strahlungsenergie durch einen bestrahlten Gegenstand!
Wie stark ein Gegenstand die auftreffenden Lichtenergie absorbiert, hängt maßgeblich von der Farbe der Oberfläche ab. Oberflächen in dunklen Farben absorbieren das sichtbare Licht stärker als helle Oberflächen. Dies ist auch der Grund weshalb der Lichtfleck des Laserstrahls auf der schwarzen Oberfläche weniger intensiv ausgeprägt ist im Vergleich zur weißen Oberfläche. Das Licht wird von der schwarzen Oberfläche also stärker absorbiert und somit nicht mehr wieder zurück gestrahlt. An der weißen Oberfläche wird hingegen weniger Licht absorbiert und deshalb verstärkt reflektiert. Der Lichtfleck erscheint deshalb größer und intensiver.
Als Folge der absorbierten Lichtenergie tritt eine Temperaturerhöhung des Gegenstandes ein, da die aufgenommene Energie eine verstärkte Teilchenbewegung zur Folge hat. Da dunkle Oberflächen offensichtlich mehr Energie absorbieren, erhöht sich die Temperatur des schwarzen Gegenstandes auch stärker als die der weißen Oberfläche.
Dunkle Oberflächen absorbieren Licht stärker als helle Oberflächen und heizen sich deshalb stärker auf!
Aus diesem Grund werden bspw. Materialen für Solarheizungen auch in dunklen Farben gehalten. Die untere Abbildung zeigt hierzu eine Solarheizung für einen Badepool. Durch die Matte aus schwarzem Kunststoff wird dabei Wasser gepumpt. Die stark absorbierende Matte heizt sich im Sommer bei Sonnenschein auf Temperaturen über 60 °C auf und erwärmt somit das hindurch strömende Wasser.
Ein weiteres Beispiel, das die starke Absorption von dunklen Oberflächen nutzt, ist der unten abgebildete Solarkocher. Die durch Reflexion gebündelten Sonnenstrahlen fallen auf einen schwarzen Kochtopf, der sich hierdurch stark erwärmt. Innerhalb weniger Minuten fängt das darin befindliche Wasser an zu kochen.
Umgekehrt wird bei weißen Oberfläche das Licht in deutlich geringerem Maße absorbiert als bei schwarzen Gegenständen. Die Temperaturerhöhung fällt entsprechend geringer aus. Dies ist auch der Grund weshalb in heißen Regionen die Häuserwände in Weiß gehalten sind.
Transmission
Eine weitere Wechselwirkung von Strahlung und Materie zeigt sich, wenn ein Laserstrahl auf eine Glasscheibe trifft. Während kaum ein Lichtfleck auf der Glasscheibe zu sehen ist, zeigt er sich sehr deutlich auf einer dahinterliegenden Wand. Es wird offensichtlich kaum Lichtenergie beim Durchgang durch das Glas absorbiert sondern fast vollständig hindurch geleitet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Transmission (lat. trans für „hindurch leiten“).
Als Transmission bezeichnet man das Durchdringen eines Gegenstandes mit Strahlung!
Man könnten nun denken, dass bei der Transmission im eigentlichen Wortsinne doch keine „Wechselwirkung“ zwischen Strahlung und Materie stattfindet, da die Strahlung ja augenscheinlich unberührt durch die Glasscheibe tritt. Dass der Lichtstrahl aber sehr wohl durch die Glasscheibe beeinflusst wird, zeigt sich erst, wenn man den Strahl schräg auf eine dicke Glasscheibe richtet.
Beim Eintritt in das Glas knickt der geradlinige Lichtstrahl ab, d.h. er wird gebrochen. Ursache dieser Brechung ist der Tatsache geschuldet, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Glas ändert. In Glas breitet sich das Licht mit rund 30 % geringer Geschwindigkeit aus als in Luft. Diese verlangsamte Ausbreitungsgeschwindigkeit hat eine Änderung der Ausbreitungsrichtung zur Folge. Je stärker sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert, desto stärker wird der Strahl gebrochen. Im Artikel Brechung wird auf das Zustandekommen dieser Lichtablenkung näher eingegangen.
Als Brechung bezeichnet man die Ablenkung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem Medium in ein anderes, aufgrund von unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten!
Die größte Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischer Strahlung zeigt sich, wenn Strahlung nicht durch Materie beeinflusst wird, d.h. in Vakuum. Man spricht dann auch von der sogenannten Vakuumlichtgeschwindigkeit (der Begriff „Licht“ ist dabei auf jegliche Art von elektromagnetischer Strahlung bezogen, nicht nur auf sichtbare Strahlung!). In Materie wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit hingegen immer geringer sein. Der Faktor, um den die Lichtgeschwindigkeit in Materie geringer ist im Vergleich zu Vakuum, wird auch als Brechungsindex bezeichnet. Je größer der Brechungsindex, desto stärker die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und umso stärker die Brechung.
Da Luft nur relativ wenige Teilchen im Vergleich zu flüssigen oder festen Stoffen enthält, wird elektromagnetische Strahlung auch kaum durch Luft beeinflusst. Deshalb kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strahlung in Luft in sehr guter Näherung mit der von Vakuum gleichgesetzt werden. Der Brechungsindex von Luft beträgt folglich 1 (genau: 1,0003 bei 1 bar und 0 °C).
Glas hat mit 1,45 jedoch einen relativ großen Brechungsindex, sodass ein aus Luft auftreffender Lichtstrahl relativ stark ablenkt wird. Wird anstelle von Glas bspw. Wasser mit einem geringeren Brechungsindex von 1,33 verwendet, zeigt sich auch eine etwas geringere Brechung.
Die Stärke der Brechung wird aber nicht nur von den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten beeinflusst, sondern auch vom Winkel unter dem der Strahl auf die Grenzschicht fällt. Je flacher der Strahl auf das Medium trifft, desto stärker ist die Brechung. Umgekehrt bedeutet dies, dass ein Lichtstrahl der senkrecht auf ein lichtdurchlässiges Medium trifft, auch nicht gebrochen wird.
Beachte, dass der oben betrachtete Laserstrahl, der auf die Glasscheibe trifft, seine Ausbreitungsgeschwindigkeit zweimal ändert. Zum einen beim Eintritt in die Glasscheibe und zum anderen beim Austritt aus dem Glas. Da sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Austritt wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht, erfolgt auch wiederum eine Ablenkung in die ursprüngliche Richtung (Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges). Der Lichtstrahl wird durch das Glas insgesamt parallel verschoben. Eine solche Parallelverschiebung zeigt bspw. wenn man Gegenstände durch eine dicke Glasscheibe betrachtet. Bei schrägem Blickwinkel erscheinen die Gegenstände hinter der Glasscheibe versetzt.
Reflexion
Wird ein Laserstrahl auf einen Spiegel gelenkt, so ist dort kein Lichtfleck zu sehen, dafür auf der gegenüberliegenden Wand. Der Lichtstrahl wird (nahezu) ohne Energieverlust umgelenkt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Reflexion (lat. reflexio für „zurückschicken“).
Als Reflexion bezeichnet man das Zurückwerfen der Strahlung durch einen „spiegelnden“ Gegenstand!
Bei der Reflexion kann ferner unterschieden werden zwischen einer gerichteten Reflexion und einer diffusen Reflexion.
Gerichtete Reflexion
Bei der gerichteten Reflexion werden die einzelnen Lichtstrahlen eines Lichtbündels nach der Reflexion wieder in einem gemeinsame Richtung reflektiert. Dabei gilt für jeden Strahl das sogenannte Reflexionsgesetz, welches besagt, dass der Winkel unter dem ein Lichtstrahl auf die spiegelnde Oberfläche einfällt auch dem Winkel entspricht unter dem der Lichtstrahl die Oberfläche wieder verlässt.
Eine Reflexion wird als „gerichtet“ bezeichnet, wenn die einfallenden Lichtstrahlen eines Lichtbündels wieder in eine gemeinsame Richtung reflektiert werden!
Gerichtete Reflexion tritt bei glatten, spiegelnden Oberflächen auf, z.B. bei einer polierten Metalloberfläche. Typisches Beispiel sind haushaltsübliche Spiegel, die letztlich aus einer glatten, reflektierenden Metallschicht (meist Silber oder Aluminium) bestehen. Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung ist auf der Vorderseite eine Glasscheibe angebracht und auf der Rückseite eine Lackschicht zum Schutz vor Korrosion.
Die gerichtete Reflexion an einem Spiegel ist auch der Grund weshalb man Gegenstände mit einem Spiegel ohne „Verzerrungen“ sehen kann. Die einzelnen einfallenden Lichtstrahlen behalten auch nach der Reflexion ihre relative Position zueinander bei und durchkreuzen sich nicht. Damit werden alle Lichtstrahlen genau so auf der Netzhaut des Auges einfallen, als würde man den Gegenstand direkt beobachten (abgesehen von der spiegelbildlichen Wahrnehmung).
Diffuse Reflexion (Streuung)
Wird die Metalloberfläche bei einem Spiegel hingegen zerkratzt oder eine korrodierte Metallplatte verwendet, dann werden die einzelnen einfallenden Lichtstrahlen an den Oberflächenunebenheiten in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Die ursprünglich in gemeinsame Richtung einfallenden Lichtstrahlen werden zerstreut. Man spricht bei einer solchen diffusen Reflexion deshalb auch von Streuung.
Eine Reflexion wird als diffus bezeichnet, wenn die einfallenden Lichtstrahlen eines Lichtbündels in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden!
Da bei der diffusen Reflexion einer korrodierten Metallplatte die Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden, treffen diese an unterschiedlichen Stellen auf der Netzhaut des Auges auf (dargestellt durch das weiße Blatt Papier in der unteren Animation). Man erhält deshalb eine verzerrte bzw. verschwommene Abbildung des reflektierten Gegenstandes.
Dass man den Gegenstand aber dennoch auf der Metallplatte in verschwommener Form wahrnehmen kann liegt darin, dass in der Realität meist keine vollständig diffuse Reflexion vorliegt. Meist handelt es sich um eine Mischform, da die gestreuten Lichtstrahlen oft noch eine gewisse Vorzugsrichtung aufweisen.
Wechselwirkungen in der Realität
In der Realität zeigt sich, dass Absorption, Transmission und Reflexion (sowohl gerichtet als auch diffus) im Allgemeinen nicht getrennt sondern stets in Kombination auftreten! Dies zeigt sich bspw. sehr deutlich bei einer abgetönten Glasscheibe.
Der Verdunklungseffekt kommt dabei aufgrund der starken Absorption der Lichtenergie durch die Glasscheibe zustande. Die Tatsache, dass aber immer noch Gegenstände durch die Scheibe hindurch erkannt werden können, zeigt, dass Licht nach wie vor auch transmittiert wird. Zudem sind auf der Glasscheibe Spiegelungen zu erkennen, die eine gewisse Reflexion nahe legen. Aufgrund vorhandener Oberflächenrauigkeiten wird die Reflexion nicht nur gerichtet sein, sondern auch diffuse Anteile aufweisen.
Abhängigkeit der Wechselwirkungen von der Wellenlänge
Die erläuterten Wechselwirkungen wie Absorption, Transmission und Reflexion wurden in den oberen Abschnitten anhand von sichtbarem Licht verdeutlicht. Das sichtbare Licht in einem Wellenlängenbereich von ca. 380 nm bis 780 nm bildet tatsächlich aber nur einen kleiner Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Grundsätzlich gelten die erläuterten Wechselwirkungen für jeder Art von elektromagnetischer Strahlung. Die untere Abbildung zeigt hierzu die Einteilung der elektromagnetischen Strahlung nach der Wellenlänge. Die Übergänge zwischen den einzelnen Strahlungsarten sind dabei stets fließend und überlappen sich auch teilweise.
Anmerkung: Mit dem dem Begriff „Licht“ ist im engeren Sinne meist nur der für das menschliche Auge sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm gemeint. In mancher Literatur steht der Begriff „Licht“ im weitesten Sinne auch für jegliche Art von elektromagnetischer Strahlung.
Die Fähigkeit eines Gegenstandes zur Absorption, Reflexion oder Transmission hängen nicht nur vom Material ab, sondern auch von der Strahlungsart, d.h. von der Wellenlänge der Strahlung. Eine Glasscheibe lässt offensichtlich sichtbare Strahlung nahezu vollständig durch, hat also im sichtbaren Wellenlängenbereich eine sehr hohe Transmissionsfähigkeit. Kurzwelligere Strahlung wie bspw. Ultraviolett-Strahlung (UV-Strahlung) unterhalb von 320 nm kann Glas hingegen nicht durchdringen! Für diese Art der UV-Strahlung zeigt Glas also eine sehr hohe Absorptionsfähigkeit! Dies ist auch der Grund weshalb man sich hinter einer Glasscheibe (fast) nicht bräunen kann, da die bräunenden UV-B Strahlen nicht durch die Glasscheibe gelangen. Dafür bekommt man aber auch keinen Sonnenbrand.
Wie stark ein Gegenstand transmittiert, reflektiert oder absorbiert hängt in entscheidendem Maße von der Wellenlänge der Strahlung ab!
Ein anderes Beispiel, das die Abhängigkeit der Wechselwirkungen von der Wellenlänge verdeutlicht, zeigt sich bei menschlichem Gewebe. Sichtbare Strahlung durchdringt das menschliche Gewebe wie bspw. die Haut praktisch nicht. Deshalb sieht man auch keine Knochen durch die Haut hindurch. Kurzwelligere Strahlung wie bspw. Röntgenstrahlung ist jedoch in der Lage menschliche Haut zu durchdringen.
In Krankenhäusern werden deshalb Röntgenstrahlen genutzt, um mithilfe von Röntgenbildern Knochen (welche Röntgenstrahlung wiederum nicht durchdringen) sichtbar zu machen. Die Röntgenstrahlen werden aber nicht nur vom menschlichen Gewebe transmittiert sondern auch zu einem gewissen Grad absorbiert, was letztlich die Gefährlichkeit der Röntgenstrahlung für den menschlichen Organismus ausmacht, da dabei Zellen durch die große aufgenommene Strahlungsenergie zerstört werden. Als Schutz vor ungewollter Bestrahlung werden deshalb Matten aus Blei verwendet, die für die Röntgenstrahlung wiederum undurchlässig sind.
