Wie kommt es zur Entstehung von Licht?

Das Geheimnis des Leuchtens: Wie entsteht Licht?

Licht, dieser allgegenwärtige Bestandteil unserer Welt, scheint selbstverständlich. Doch die Entstehung dieses Phänomens ist ein faszinierender Prozess, der auf der subatomaren Ebene stattfindet und mit der Quantenmechanik eng verknüpft ist. Die einfache Aussage „Atome fallen in niedrigere Energieniveaus zurück und setzen dabei Licht frei“ kratzt nur an der Oberfläche dieser komplexen Thematik. Um ein tieferes Verständnis zu entwickeln, müssen wir die beteiligten Akteure genauer betrachten.

Zentral für das Verständnis der Lichterscheinung sind die Atome, die kleinsten Bausteine der Materie. Jedes Atom besteht aus einem Atomkern, der Protonen und Neutronen enthält, und einer Elektronenhülle, in der sich Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus befinden. Diese Niveaus sind quantisiert, das heißt, die Elektronen können nur bestimmte, diskrete Energien annehmen – ähnlich wie eine Treppe, auf der man nur auf bestimmten Stufen stehen kann, nicht aber dazwischen.

Die entscheidende Rolle spielt die Energiezufuhr. Diese kann auf verschiedene Weisen erfolgen: durch Hitze (wie bei einer Glühbirne), durch elektrische Energie (wie bei einer LED), durch chemische Reaktionen (wie bei einer Kerze) oder durch Kernreaktionen (wie bei der Sonne). Diese Energiezufuhr regt die Atome an, das heißt, sie versetzt die Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Dieser Zustand ist jedoch instabil.

Das angeregte Atom strebt nach einem Zustand niedrigerer Energie. Um diesen zu erreichen, fällt das Elektron von dem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau zurück. Dieser Übergang ist nicht kontinuierlich, sondern erfolgt sprunghaft. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus wird dabei als Photon freigesetzt – ein winziges Energiepaket, das die Eigenschaften sowohl einer Welle als auch eines Teilchens besitzt. Und genau dieses Photon ist Licht.

Die Wellenlänge des emittierten Lichts, die seine Farbe bestimmt, hängt direkt von der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus ab. Ein großer Energieunterschied führt zu kurzwelligem, energiereichem Licht (z.B. blaues oder violettes Licht), während ein kleiner Unterschied langwelliges, energiearmes Licht (z.B. rotes oder infrarotes Licht) erzeugt.

Die Vielfalt der Lichtquellen erklärt sich aus den unterschiedlichen Atomen und Molekülen, die beteiligt sind, sowie den verschiedenen Arten der Energiezufuhr. Jedes Element hat ein einzigartiges Energieniveau-Schema, welches ein charakteristisches Lichtspektrum erzeugt, das zur Identifizierung des Elements verwendet werden kann (Spektralanalyse).

Zusammenfassend lässt sich sagen: Licht entsteht durch den Übergang von Elektronen in Atomen von höheren auf niedrigere Energieniveaus, wobei die freiwerdende Energie als Photonen, also Licht, abgestrahlt wird. Dieser scheinbar einfache Prozess ist ein faszinierendes Beispiel für die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik und die Grundlage für unzählige technologische Anwendungen, von der Beleuchtung bis zur Lasertechnik.