In diesem Beitrag schauen wir uns an, wie Licht überhaupt erzeugt werden kann und wie es zur Lichtemission kommt. Wir steigen damit ein Stück weit in die Physik ein.
Wie wir als Mensch diese Strahlung wahrnehmen, erfährst du in den Beiträgen zum menschlichen Auge, zu den Sehzellen und zu dem Sehprozess.
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Künstliches Licht
Für uns ist es selbstverständlich, gerade in der dunklen Jahreszeit, einfach einen Schalter zu betätigen und schon ist es hell und wir können weiterarbeiten und aktiv sein, statt mit Sonnenuntergang den Tag zu beenden. Doch was passiert da eigentlich, wenn wir den Schalter umlegen? Das ist natürlich von Lichtquelle zu Lichtquelle verschieden und was die Unterschiede zwischen unseren klassischen Glühlampen, LEDs oder Entladungslampen sind, schauen wir uns in einem separaten Beitrag an. In diesem geht es erst einmal um die grundlegenden Abläufe – auf atomarer Basis.
Atome und Photonen – die Basis der Lichtemission
Du hast in der Schule oder Studium vielleicht schon etwas über das Bohrsche Atommodell gehört. Auch wenn diese Beschreibung von Atomen mittlerweile abgelöst wurde, lassen sich einige Effekte vereinfacht damit erklären.
Laut diesem Modell besitzen Atome einen positiv geladenen Atomkern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Die Elektronen schwirren aber nicht willkürlich um den Kern herum, sondern bewegen sich auf Bahnen mit einem bestimmten Abstand zum Kern. Dabei haben sie in Abhängigkeit ihrer Entfernung zum Atomkern eine bestimmte Energie ([1], S.7). Auf die Berechnung dieser Energie aus potentieller und kinetischer Energie wollen wir an dieser Stelle nicht eingehen. Bei Interesse findest du weitere Infos dazu hier: https://physikunterricht-online.de/jahrgang-12/das-bohrsche-atommodell/
Bewegt sich ein Atom auf einer Bahn, hat es einen stabilen Energiezustand bzw. Energieniveau. Es kann aber auch die Bahn wechseln.
Absorption und Lichtemission
Für den Wechsel zwischen dem niedrigeren Energielevel Ei in das höhere Level Ek ist damit genau die Energie ΔE=Ek –Ei notwendig ([2], S.105).
Wie bekommt das Elektron diese Energie? Beispielsweise durch Absorption eines Photons mit der Energie Ep=ΔE. Und was ist nun ein Photon? Ein Photon wird oft auch als Lichtteilchen bezeichnet, aber anders als die Elektronen oder der Kern eines Atoms, ist es nicht geladen und besitzt keine (Ruhe-) Masse. Stattdessen überträgt es Energie. Diese Energie ist abhängig von der Wellenlänge und dem Material, in dem es sich bewegt, und wird beschrieben durch die Formel:
Ep=h× c/λ
h ist das plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit im Material und λ die Wellenlänge ([3], S.660; [2], S.102). Wunder dich nicht, warum wir nun plötzlich wieder von Wellen reden. Hier setzt der Welle – Teilchen Dualismus ein. Mehr dazu findest du hier: Scienceblogs-Wellen-Teilchen-Dualismus.
Wird ein Photon von einem Elektron absorbiert, nimmt das Elektron die Energie des Photons auf und kann damit in ein anderes Energieniveau aufsteigen. Genau andersherum verhält es sich beim Wechsel in ein niedrigeres Niveau. Das Elektron gibt Energie / ein Photon ab. Es entsteht Licht, dessen Wellenlänge von der Energiedifferenz der Energieniveaus abhängt, wie auch in Abbildung 1 angedeutet ist
Lichterzeugung durch spontane Emission – ein Zufallsprozess
Wie das Zusammenwirken von Atomen und Photonen funktioniert haben wir nun gehört. Aber wie kommt es eigentlich dazu, dass ein Photon abgegeben wird? Dazu ist ein Einfluss von außen auf das Atom nötig, denn eigentlich ist das Atom mit seinen Elektronen in einem stabilen Zustand.
Durch Impulse / Stöße von Atomen untereinander, kann ein Energieübertrag stattfinden. Dann wechselt ein Elektron von seinem stabilen Grundzustand in einen angeregten Zustand. Diese Anregung kann aber nicht lange beibehalten werden und das Elektron gibt die zusätzliche Energie in Form eines Photons ab und wechselt zurück in seinen Grundzustand ([1], S.32). In diesem Fall spricht man von spontaner Emission. Diese läuft zufällig ab und lediglich die Wahrscheinlichkeit, mit der Photonen freigesetzt werden, lässt sich bestimmen ([2], S.220).
Lichterzeugung durch stimulierte Emission
Eine andere Art der Emission ist die stimulierte Emission. Bei dieser wird, anders als bei der spontanen Emission, die Abgabe von Photonen durch andere Photonen stimuliert.
Klingt im ersten Moment vielleicht etwas unlogisch, denn eigentlich hatten wir gesagt, dass Photonen von Elektronen absorbiert werden. Allerdings befinden sich die Atome in diesem Fall bereits in einem angeregten Zustand. Trifft nun ein Photon auf ein angeregtes Elektron, fällt dieses in den Grundzustand zurück und gibt ein Photon ab. Es gibt dann zwei Photonen mit exakt gleichen Eigenschaften ([1], S.34).
Der Laser – stimulierte Emission in der Praxis
Generell ist bei den meisten Lichtquellen der Anteil spontaner Emission höher als der stimulierter Emission, da ein angeregter Zustand der Elektronen erst einmal hergestellt werden muss. Es gibt eine Art von Lichtquellen, bei der die stimulierte Emission überwiegt – der Laser. Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ ([1], S.53) oder auf Deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der Name beschreibt also schon, wie das Licht eines Lasers entsteht. Besondere Komponenten, die einen klassischen Laser von anderen Lichtquellen unterscheiden, sind das Aktive Medium, der Resonator und eine Pumpquelle ([1], ab S. 41). Das Aktive Medium kann flüssig, gasförmig oder auch fest sein oder, wie bei der Laserdiode, ein Halbleitermaterial sein. In ihm befinden sich die Atome, die zur Emission angeregt werden. Das Material entscheidet darüber, welche Strahlung, bzw. welche Wellenlänge von dem Laser erzeugt wird ([1], S.56).
Die Atome des aktiven Mediums werden zunächst durch die Pumpquelle in einen angeregten Zustand gebracht. Je nach Form des aktiven Mediums kann das eine elektrische Spannung oder eine Lichtquelle, bspw. ein anderer Laser, sein. Dem aktiven Medium wird also erstmal Energie zugeführt, um möglichst viele Atome in einen angeregten Zustand zu versetzen. Man spricht von einer Besetzungsinversion. Dann genügt auch schon ein Photon, um eine Kettenreaktion auszulösen. Trifft das Photon auf ein angeregtes Atom, setzt dieses ein weiteres identisches Photon frei. Die beiden Photonen regen weitere Atome zur Abgabe eines Photons an und so weiter. An sich erinnert diese Reaktion an eine Gasentladungslampe. Aber nun kommt der Resonator ins Spiel.
Der Resonator besteht aus zwei Spiegelflächen an den Seiten des aktiven Mediums. Durch diese können die ausgelösten Photonen das aktive Medium (zum Großteil) nicht verlassen. Während die Pumpquelle das Besetzungsniveau aufrecht erhält, sorgen die zwischen den Spiegeln hin und her „wandernden“ Photonen dafür, dass immer mehr Photonen abgegeben werde. Ein Verstärkungseffekt. Einer der Resonator-Spiegel ist teildurchlässig. Das bedeutet, dass er nur einen Teil der Photonen reflektiert und den anderen Teil passieren lässt. Hier kann das erzeugte Licht aus dem Laser hinaus strahlen ([1], S. 44).
Soweit an dieser Stelle erst einmal zum Thema Emission. Weitere Details zu den Eigenschaften des Laserlichts folgen bald in einem neuen Beitrag.
Quellen und weiterführende Literatur
[1] Eichler, Eichler: Laser – Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. 6. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
[2] Demtröder: Experimentalphysik 3 – Atome, Moleküle und Festkörper. 3. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.
[3] Hering, Stohrer, Martin: Physik für Ingenieure. 10. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
[4] Gerthsen, Meschede: Gerthsen Physik. 23. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
