Wie entsteht Licht?
Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung. Doch wie entsteht diese Strahlung überhaupt? Warum leuchtet die Sonne, weshalb beginnt ein Metalldraht bei hohen Temperaturen zu glühen und wie kann eine Leuchtdiode helles Licht erzeugen, ohne dafür einen Glühfaden zu benötigen?
Die Antwort liegt in unterschiedlichen physikalischen Prozessen, bei denen Energie in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird. Während manche Lichtquellen ihre Strahlung durch hohe Temperaturen erzeugen, beruhen andere auf angeregten Atomen, elektrischen Ladungsträgern oder chemischen Reaktionen.
Die wichtigsten Mechanismen der Lichterzeugung sind Temperaturstrahlung, Gasentladung, Lumineszenz und stimulierte Emission. Sie unterscheiden sich nicht nur in ihrer Funktionsweise, sondern auch hinsichtlich des erzeugten Lichtspektrums, ihrer Energieeffizienz und ihrer technischen Einsatzmöglichkeiten.
Die physikalischen Grundlagen der Lichtentstehung
Um zu verstehen, wie Licht entsteht, müssen wir zunächst betrachten, wie Materie Energie aufnehmen und wieder abgeben kann.
Atome, Moleküle und Festkörper besitzen unterschiedliche mögliche Energiezustände. Wird einem System Energie zugeführt, beispielsweise durch elektrische Energie, Wärme oder die Absorption von Strahlung, kann sich sein innerer Zustand verändern.
Beim Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand kann die frei werdende Energie in Form eines Photons abgegeben werden. Ein Photon ist das kleinste Energiequant elektromagnetischer Strahlung.
Wie wird aus Energie ein Photon?
Ein anschauliches Beispiel ist ein angeregtes Atom. Seine Elektronen können nur bestimmte, quantenmechanisch erlaubte Energiezustände einnehmen.
Wird ein Atom durch eine äußere Energiezufuhr angeregt, kann ein Elektron in einen Zustand höherer Energie gelangen. Kehrt das System anschließend in einen Zustand niedrigerer Energie zurück, kann die Energiedifferenz als elektromagnetische Strahlung ausgesendet werden.
Für einen solchen strahlenden Übergang gilt:
Eₚₕₒₜₒₙ = E₂ − E₁ = h · f = h · c / λ
Dabei bezeichnet E₂ die Energie des ursprünglichen höheren Zustands und E₁ die Energie des niedrigeren Endzustands. Die Differenz entspricht der Energie des ausgesendeten Photons. Die Größen h, f, c und λ stehen für das Plancksche Wirkungsquantum, die Frequenz, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und die Wellenlänge.
Die Energiedifferenz bestimmt somit, welche Frequenz beziehungsweise Wellenlänge das ausgesendete Licht besitzt.
Allerdings führt nicht jede Anregung zur Aussendung eines Photons. Energie kann auch ohne Lichtemission abgegeben werden, beispielsweise durch Schwingungen des Kristallgitters und die damit verbundene Erwärmung.
Dieses Grundprinzip ist insbesondere für das Verständnis von Gasentladungslampen, Fluoreszenz, LEDs und Lasern wichtig.
Bei der Temperaturstrahlung ist der Zusammenhang komplexer: Hier erzeugen die thermischen Vorgänge in Materie ein breites Strahlungsspektrum, das durch die Gesetze der Wärmestrahlung beschrieben wird.
Temperaturstrahlung – Licht durch Wärme
Eine der ältesten und in der Natur häufigsten Formen der Lichterzeugung ist die Temperaturstrahlung.
Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet elektromagnetische Strahlung aus. Bei gewöhnlichen Umgebungstemperaturen liegt diese Strahlung überwiegend im infraroten Bereich und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.
Steigt die Temperatur eines Körpers ausreichend an, wird ein zunehmend größerer Anteil der Strahlung im sichtbaren Bereich ausgesendet. Der Körper beginnt zu glühen.
Warum glühen heiße Körper?
Bei hohen Temperaturen verändert sich die Verteilung der thermisch ausgesendeten Strahlungsenergie. Die gesamte abgestrahlte Leistung nimmt zu und das Maximum der spektralen Verteilung verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen.
Ein zunächst unsichtbar strahlender Körper beginnt bei ausreichender Erwärmung dunkelrot zu glühen. Bei weiter steigender Temperatur verändert sich sein Farbeindruck über Orange und Gelb bis zu einem weißlichen Glühen.
Das idealisierte Modell eines solchen Strahlers wird als schwarzer Körper bezeichnet. Seine spektrale Strahlungsverteilung lässt sich durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschreiben.
Das Wiensche Verschiebungsgesetz gibt an, bei welcher Wellenlänge das Maximum der spektralen Strahlungsverteilung eines idealen schwarzen Körpers liegt:
λₘₐₓ · T ≈ 2,898 · 10⁻³ m · K
Hierbei ist T die absolute Temperatur in Kelvin und λₘₐₓ die Wellenlänge des Strahlungsmaximums.
Je höher die Temperatur, desto kürzer ist die Wellenlänge dieses Maximums.
Beispiele für Temperaturstrahlung
Die Sonne: Die Energie, die ihre Strahlung antreibt, stammt überwiegend aus der Kernfusion in ihrem Inneren. Das sichtbare Sonnenlicht wird jedoch größtenteils als thermische Strahlung in den äußeren Schichten der Sonne ausgesendet. Die effektive Temperatur der Sonnenoberfläche beträgt ungefähr 5.800 Kelvin. Das Maximum eines entsprechenden Schwarzkörperspektrums liegt bei etwa 500 Nanometern und damit im sichtbaren Bereich.
Die Glühlampe: In einer klassischen Glühlampe fließt elektrischer Strom durch einen dünnen Wolframdraht. Sein elektrischer Widerstand führt zur Erwärmung auf typischerweise etwa 2.500 bis 2.900 Kelvin. Bei diesen Temperaturen sendet der Draht sichtbares Licht aus. Das Maximum der Strahlungsverteilung liegt allerdings noch im Infrarotbereich.
Die Halogenlampe: Sie arbeitet nach demselben thermischen Grundprinzip wie die Glühlampe. Durch ihre Konstruktion und den Halogenkreisprozess sind höhere Glühfadentemperaturen möglich. Das Licht wirkt dadurch häufig etwas weißer, und der Anteil der im sichtbaren Bereich abgegebenen Strahlung steigt.
Das Spektrum thermischer Lichtquellen
Charakteristisch für die Temperaturstrahlung ist ein breitbandiges, im idealen Modell kontinuierliches Spektrum.
Im Gegensatz zu Lichtquellen, die nur bestimmte Wellenlängenbereiche erzeugen, enthält das Spektrum eines heißen Festkörpers Strahlung über einen großen zusammenhängenden Wellenlängenbereich.
Diese Eigenschaft ist für die Farbwiedergabe von Bedeutung: Eine Glühlampe liefert ein kontinuierliches sichtbares Spektrum, obwohl dessen Intensität zu längeren Wellenlängen stark zunimmt.
Der wesentliche Nachteil thermischer Lichtquellen besteht darin, dass ein großer Teil ihrer elektrischen Eingangsleistung letztlich als Infrarotstrahlung und Wärme abgegeben wird, anstatt als für das menschliche Auge nutzbares Licht.
Gasentladung – Licht durch angeregte Atome und Moleküle
Bei einer Gasentladung wird elektrische Energie dazu verwendet, Atome oder Moleküle eines Gases anzuregen.
Zwischen zwei Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt. Unter geeigneten Bedingungen entsteht eine elektrische Entladung im Gas. Beschleunigte Elektronen stoßen dabei mit Atomen oder Molekülen zusammen und können diese anregen oder ionisieren.
Wenn angeregte Teilchen wieder in energetisch niedrigere Zustände übergehen, können sie Photonen aussenden.
Warum haben Gasentladungslampen charakteristische Farben?
Die möglichen Energieübergänge hängen von der jeweiligen Atom- oder Molekülstruktur ab.
Deshalb können verschiedene Gase ganz unterschiedliche Spektren erzeugen.
Neon ist beispielsweise für seine charakteristische orange-rötliche Lichtemission bekannt. Natriumdampf kann besonders intensive gelbe Spektrallinien aussenden, während Quecksilberdampf unter anderem im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich strahlt.
Bei Gasen unter niedrigem Druck treten häufig ausgeprägte, schmale Emissionslinien auf. Bei höheren Drücken und in komplexen Entladungsplasmen können sich die Spektren deutlich verbreitern.
Die spektrale Zusammensetzung unterscheidet sich damit grundlegend von der kontinuierlichen Temperaturstrahlung eines idealisierten Glühkörpers.
Wie funktioniert eine Leuchtstofflampe?
Die klassische Leuchtstofflampe kombiniert eine Gasentladung mit einem zweiten physikalischen Mechanismus.
Im Inneren des Lampenrohres befindet sich unter anderem Quecksilberdampf. Durch die elektrische Entladung wird dieser angeregt und sendet einen erheblichen Teil seiner Strahlung im ultravioletten Bereich aus.
Die Innenfläche des Glasrohres ist mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet. Diese absorbiert einen Teil der ultravioletten Strahlung und gibt die aufgenommene Energie als sichtbares Licht wieder ab.
Die Leuchtstofflampe verbindet somit Gasentladung und Photolumineszenz.
Lumineszenz – Licht ohne starke thermische Erhitzung
Nicht jede Lichtquelle muss auf hohe Temperaturen gebracht werden, um sichtbar zu leuchten.
Unter dem Begriff Lumineszenz werden Lichtemissionsprozesse zusammengefasst, bei denen die Strahlung nicht hauptsächlich durch die Temperatur des emittierenden Körpers bestimmt wird.
Die dafür erforderliche Anregungsenergie kann aus unterschiedlichen Quellen stammen: aus bereits vorhandener Strahlung, aus elektrischen Vorgängen oder aus chemischen Reaktionen.
Je nach Art der Energiezufuhr werden verschiedene Formen der Lumineszenz unterschieden.
Photolumineszenz – Licht erzeugt neues Licht
Bei der Photolumineszenz nimmt ein Material elektromagnetische Strahlung auf und sendet anschließend selbst Strahlung aus.
Ein Teil der aufgenommenen Energie kann dabei in andere Energieformen übergehen. Deshalb besitzen die neu ausgesendeten Photonen häufig eine geringere Energie und damit eine größere Wellenlänge als die ursprünglich absorbierten Photonen.
Dieser Vorgang wird beispielsweise genutzt, um ultraviolette oder blaue Strahlung in längerwelliges sichtbares Licht umzuwandeln.
Besonders wichtig sind zwei Erscheinungsformen:
Fluoreszenz: Die Lichtemission erfolgt typischerweise sehr schnell nach der Anregung und klingt nach deren Ende rasch ab.
Phosphoreszenz: Bestimmte elektronische Übergänge sind deutlich langsamer. Die Lichtemission kann deshalb nach Beendigung der Anregung weiterbestehen. Auch spezielle Nachleuchtmaterialien können durch gespeicherte Anregungsenergie über längere Zeit Licht aussenden.
Photolumineszenz spielt sowohl bei Leuchtstofflampen als auch bei der Herstellung weißen LED-Lichts eine wichtige Rolle.
Chemilumineszenz – Licht aus chemischen Reaktionen
Auch chemische Reaktionen können Licht erzeugen.
Bei der Chemilumineszenz wird ein Teil der während einer Reaktion freigesetzten Energie zur Bildung elektronisch angeregter Zustände verwendet. Gehen diese Zustände unter Aussendung von Photonen in energetisch niedrigere Zustände über, entsteht sichtbare Strahlung.
Ein bekanntes Beispiel sind chemische Knicklichter.
Eine besondere Form der Chemilumineszenz ist die Biolumineszenz. Sie tritt bei bestimmten Lebewesen auf, beispielsweise bei Leuchtkäfern oder zahlreichen Organismen der Tiefsee.
Das Licht entsteht hier durch biochemische Reaktionen. Eine starke thermische Erwärmung ist dafür nicht erforderlich.
Elektrolumineszenz – das Funktionsprinzip moderner LEDs
Für die heutige Beleuchtungstechnik gehört die Elektrolumineszenz zu den wichtigsten Formen der Lichterzeugung.
Bei diesem Prozess wird elektrische Energie unmittelbar zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung genutzt, ohne dass zunächst ein Glühkörper auf hohe Temperaturen erhitzt werden muss.
Die bekannteste technische Anwendung ist die Leuchtdiode, kurz LED. Die Abkürzung steht für den englischen Begriff Light Emitting Diode.
Wie entsteht Licht in einer LED?
Eine LED besteht aus Halbleitermaterialien mit gezielt eingestellten elektrischen Eigenschaften.
Ihr zentrales Bauelement ist eine Halbleiterstruktur mit einem p-n-Übergang und einer lichtemittierenden aktiven Zone.
Im n-dotierten Bereich stehen überwiegend Elektronen als bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Im p-dotierten Bereich sind sogenannte Löcher die beweglichen Mehrheitsträger. Ein Loch beschreibt dabei einen unbesetzten elektronischen Zustand, der sich wie ein positiv geladener Ladungsträger verhält.
Wird die LED in Durchlassrichtung betrieben, werden Elektronen und Löcher in die aktive Zone injiziert.
Dort können Elektronen mit Löchern rekombinieren. Bei einer strahlenden Rekombination wird die frei werdende Energie als Photon ausgesendet.
Das ist der entscheidende Unterschied zur Glühlampe: Bei einer LED entsteht Licht direkt durch elektronische Vorgänge innerhalb des Halbleiters und nicht durch das thermische Glühen eines Drahtes.
Welche Rolle spielt das Halbleitermaterial?
Die Energie der ausgesendeten Photonen hängt wesentlich von der elektronischen Bandstruktur des verwendeten Halbleiters ab.
Von besonderer Bedeutung ist die Bandlücke. Sie beschreibt den energetischen Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband.
Bei einer idealisierten strahlenden Rekombination nahe den Bandkanten entspricht die Energie des Photons näherungsweise der Bandlückenenergie.
Damit beeinflusst die Auswahl des Halbleitermaterials unmittelbar die Wellenlänge des erzeugten Lichts.
Verschiedene Materialsysteme ermöglichen deshalb LEDs, die beispielsweise rotes, grünes oder blaues Licht erzeugen.
In der Praxis wird nicht die gesamte zugeführte elektrische Energie in Licht umgesetzt. Ein Teil geht durch nichtstrahlende Rekombination, elektrische Widerstände und andere Verlustmechanismen als Wärme verloren.
Trotzdem kann die Elektrolumineszenz eine wesentlich effizientere Erzeugung sichtbaren Lichts ermöglichen als die Temperaturstrahlung einer klassischen Glühlampe.
Wie erzeugt eine LED weißes Licht?
Ein einzelner LED-Halbleiterchip emittiert normalerweise in einem vergleichsweise begrenzten Wellenlängenbereich.
Für die Allgemeinbeleuchtung wird jedoch meist weißes Licht benötigt, das unterschiedliche sichtbare Wellenlängen enthält.
In der modernen LED-Technik werden dafür insbesondere zwei Verfahren eingesetzt.
1. Weißes Licht durch Leuchtstoffkonversion
Das verbreitetste Verfahren verwendet einen blau emittierenden LED-Chip und eine darüber angeordnete Leuchtstoffschicht.
Ein Teil des blauen Lichts passiert diese Schicht. Ein anderer Teil wird absorbiert und in längerwellige Strahlung umgewandelt.
Die Mischung aus dem verbleibenden blauen Licht und der konvertierten Strahlung wird vom menschlichen Auge als weiß wahrgenommen.
Je nach Zusammensetzung der verwendeten Leuchtstoffe lassen sich unterschiedliche Lichtfarben, Farbtemperaturen und spektrale Eigenschaften realisieren.
2. Weißes Licht durch additive Farbmischung
Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination mehrerer LEDs unterschiedlicher Emissionsfarben.
Werden beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht in geeigneten Anteilen gemischt, kann ebenfalls ein weißer Farbeindruck entstehen.
Dieses Verfahren ist insbesondere für dynamische Beleuchtungssysteme interessant, bei denen die Lichtfarbe gezielt verändert werden soll.
Bei hochwertigen Beleuchtungssystemen kommen auch Kombinationen aus mehreren farbigen LEDs und phosphorkonvertierten weißen LEDs zum Einsatz.
Warum ist das Emissionsprinzip für die Lichtqualität wichtig?
Die Art, wie weißes Licht entsteht, beeinflusst seine spektrale Zusammensetzung.
Zwei Lichtquellen können denselben Weißpunkt beziehungsweise eine ähnliche korrelierte Farbtemperatur besitzen und dennoch deutlich unterschiedliche Spektren aufweisen.
Das kann sich darauf auswirken, wie Farben beleuchteter Gegenstände wiedergegeben werden.
Daher genügt es nicht, eine LED-Lichtquelle ausschließlich anhand ihrer Farbtemperatur zu bewerten. Für anspruchsvolle Anwendungen müssen auch die spektrale Leistungsverteilung und die Farbwiedergabeeigenschaften berücksichtigt werden.
Die Erzeugung weißen Lichts durch LEDs bildet damit eine wesentliche technische Grundlage moderner Architekturbeleuchtung, großflächiger Lichtsysteme und dynamischer Lichtanwendungen.
Laserlicht – Licht durch stimulierte Emission
Eine weitere wichtige Form der Lichterzeugung beruht auf der stimulierten Emission.
Bei der spontanen Emission gibt ein angeregtes System ein Photon ab, ohne dass ein einfallendes Photon diesen konkreten Übergang auslösen muss.
Bei der stimulierten Emission kann dagegen ein vorhandenes Photon einen geeigneten angeregten Zustand dazu veranlassen, ein weiteres Photon in denselben optischen Modus abzugeben.
Das zusätzlich ausgesendete Photon stimmt dann unter anderem hinsichtlich Frequenz, Ausbreitungsrichtung und Phasenbeziehung mit dem stimulierenden Licht überein.
Dieses Prinzip ist die Grundlage des Lasers. Der Begriff LASER steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
In einem typischen Laser wird einem aktiven Medium Energie zugeführt. Unter geeigneten Bedingungen entsteht eine Besetzungsinversion, die eine optische Verstärkung durch stimulierte Emission ermöglicht.
Ein optischer Resonator kann dabei die Rückkopplung bereitstellen und bestimmte Schwingungsmoden bevorzugen.
Laserlicht zeichnet sich häufig durch eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz, eine geringe spektrale Bandbreite und eine gute Bündelbarkeit aus.
Laser werden unter anderem in der Messtechnik, Materialbearbeitung, optischen Kommunikation und Projektionstechnik eingesetzt.
Die stimulierte Emission ist dabei keine eigenständige Energiequelle, sondern ein besonderer Mechanismus der Lichtemission und -verstärkung.
Vergleich der verschiedenen Arten der Lichterzeugung
Die vorgestellten Verfahren unterscheiden sich sowohl durch die Art der Energiezufuhr als auch durch die physikalischen Prozesse der Lichtemission.
| Verfahren | Physikalisches Prinzip | Typisches Beispiel |
|---|---|---|
| Temperaturstrahlung | Elektromagnetische Strahlung aufgrund thermischer Zustände der Materie | Sonne, Glühlampe |
| Gasentladung | Elektrische Anregung von Gasatomen oder Molekülen | Neonröhre, Natriumdampflampe |
| Photolumineszenz | Absorption von Strahlung mit anschließender Lichtemission | Leuchtstoffe |
| Chemilumineszenz | Lichtemission infolge chemischer Reaktionen | Knicklicht, Leuchtkäfer |
| Elektrolumineszenz | Lichtemission durch elektrische Anregung, insbesondere in Halbleitern | LED |
| Stimulierte Emission | Durch vorhandene Photonen ausgelöste und verstärkte Lichtemission | Laser |
Diese Verfahren sind nicht grundsätzlich voneinander getrennt.
Eine Leuchtstofflampe kombiniert beispielsweise Gasentladung und Photolumineszenz. Eine weiße phosphorkonvertierte LED verbindet Elektrolumineszenz mit Photolumineszenz. Und ein Halbleiterlaser nutzt eine elektrisch angeregte Halbleiterstruktur, in der stimulierte Emission stattfindet.
Für das Verständnis einer realen Lichtquelle ist deshalb sowohl die ursprüngliche Energiezufuhr als auch der eigentliche Emissionsmechanismus entscheidend.
Welche Bedeutung hat die Lichterzeugung für die moderne Beleuchtungstechnik?
Die physikalische Entstehung des Lichts beeinflusst eine Reihe wesentlicher Eigenschaften einer Lichtquelle.
Spektrale Zusammensetzung und Farbwiedergabe
Unterschiedliche Emissionsmechanismen erzeugen unterschiedliche spektrale Leistungsverteilungen.
Temperaturstrahler besitzen meist ein kontinuierliches, breitbandiges Spektrum. Gasentladungslampen können charakteristische Emissionslinien aufweisen. LEDs erzeugen abhängig von ihrer Halbleiterstruktur und gegebenenfalls vorhandenen Leuchtstoffen schmalbandige oder breitbandigere Spektralanteile.
Diese Unterschiede sind für die Farbwiedergabe und die gezielte Gestaltung von Licht von Bedeutung.
Energieeffizienz
Bei thermischen Lichtquellen wird ein erheblicher Anteil der eingesetzten Energie in Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums umgewandelt.
LEDs können elektrische Energie dagegen gezielt zur Erzeugung sichtbarer Photonen nutzen.
Wie viel nutzbares Licht eine technische Lichtquelle pro aufgenommener elektrischer Leistung erzeugt, wird üblicherweise durch die Lichtausbeute in Lumen pro Watt (lm/W) beschrieben.
Dieser Wert berücksichtigt die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges und ist deshalb nicht mit dem rein energetischen Wirkungsgrad gleichzusetzen.
Wärmeentwicklung und Lebensdauer
Auch moderne LEDs entwickeln im Betrieb Wärme. Ihre Lichtemission beruht jedoch nicht auf dem Erhitzen eines Glühdrahtes.
Die entstehenden thermischen Verluste müssen insbesondere bei leistungsstarken LED-Systemen zuverlässig abgeführt werden.
Eine geeignete thermische Konstruktion ist entscheidend für Lichtstromstabilität, Farbortstabilität und Lebensdauer.
Steuerbarkeit und dynamisches Licht
LEDs lassen sich elektrisch sehr schnell ansteuern. Dadurch können Helligkeit und – bei entsprechenden Mehrkanalsystemen – die spektrale Zusammensetzung des ausgesendeten Lichts gezielt verändert werden.
Das ermöglicht dynamische Lichtlösungen mit regelbarer Farbtemperatur, farbigem Licht und zeitlich veränderlichen Lichtszenen.
Für großflächige Lichtanwendungen eröffnet diese Steuerbarkeit Gestaltungsmöglichkeiten, die mit klassischen thermischen Lichtquellen nur eingeschränkt realisierbar sind.
Fazit: Licht kann auf sehr unterschiedliche Weise entstehen
Ob Sonnenlicht, Glühlampe, Leuchtstoffröhre oder LED – allen Lichtquellen liegt eine Umwandlung von Energie in elektromagnetische Strahlung zugrunde.
Die dafür verantwortlichen physikalischen Prozesse unterscheiden sich jedoch erheblich.
Während heiße Körper aufgrund ihrer Temperatur strahlen, erzeugen Gasentladungslampen Licht durch angeregte Atome und Moleküle. Lumineszenz ermöglicht Lichtemission ohne starke thermische Erhitzung, und moderne LEDs nutzen strahlende Rekombinationsprozesse innerhalb von Halbleitern.
Für die Beleuchtungstechnik ist diese Unterscheidung besonders wichtig: Der Mechanismus der Lichterzeugung beeinflusst das Spektrum, die Effizienz, die Steuerbarkeit und damit die technischen Eigenschaften einer Lichtquelle.
Häufige Fragen zur Entstehung von Licht
Wie entsteht Licht in einem Atom?
Ein Atom kann Energie aufnehmen und dadurch in einen angeregten Zustand gelangen. Erfolgt anschließend ein Übergang zu einem niedrigeren Energiezustand unter Aussendung elektromagnetischer Strahlung, entsteht ein Photon. Seine Energie entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen.
Kann Licht auch ohne Wärme entstehen?
Ja. Bei der Lumineszenz entsteht Licht durch elektronische oder chemische Prozesse, ohne dass ein Körper dafür wie ein Glühdraht stark erhitzt werden muss. LEDs, Leuchtstoffe und biolumineszierende Organismen sind Beispiele dafür. Allerdings können auch bei solchen Prozessen thermische Verluste auftreten.
Wie entsteht Licht in einer LED?
In einer LED werden durch elektrischen Strom Elektronen und Löcher in eine aktive Halbleiterzone eingebracht. Wenn diese Ladungsträger strahlend rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt. Das ausgesendete Spektrum hängt wesentlich von der Bandstruktur des Halbleiters ab.
Wie entsteht weißes LED-Licht?
Meist erzeugt ein blauer LED-Chip zunächst kurzwelliges sichtbares Licht. Eine Leuchtstoffschicht wandelt einen Teil dieser Strahlung in längerwellige Spektralanteile um. Gemeinsam entsteht ein weißer Farbeindruck. Alternativ kann weißes Licht durch die Mischung mehrerer unterschiedlich farbiger LEDs erzeugt werden.
Entsteht Sonnenlicht direkt durch Kernfusion?
Die Kernfusion liefert die Energie, die letztlich die Sonnenstrahlung antreibt. Das für uns sichtbare Sonnenlicht wird jedoch größtenteils in den äußeren Schichten der Sonne als thermische Strahlung ausgesendet. Die Entstehung des sichtbaren Sonnenlichts ist daher nicht mit der unmittelbaren Emission eines Photons während einer einzelnen Kernfusionsreaktion gleichzusetzen.
Was ist der Unterschied zwischen einer LED und einem Laser?
Eine gewöhnliche LED erzeugt ihre Strahlung überwiegend durch spontane Emission infolge strahlender Rekombination. Ein Laser nutzt dagegen stimulierte Emission zur optischen Verstärkung. Dadurch kann Laserlicht eine besonders hohe Kohärenz und eine geringe spektrale Bandbreite aufweisen.
Warum ist eine LED effizienter als eine Glühlampe?
Eine Glühlampe erzeugt sichtbares Licht durch das Erhitzen eines Glühdrahtes. Dabei wird viel Energie als Infrarotstrahlung abgegeben. Eine LED kann durch ihren Halbleitermechanismus einen wesentlich größeren Anteil ihrer elektrischen Eingangsleistung zur Erzeugung sichtbaren Lichts nutzen. Die tatsächliche Effizienz hängt vom Aufbau und den Betriebsbedingungen ab.
Weiterführende Inhalte
Was ist Licht? – Eine Einführung in die physikalische Natur elektromagnetischer Strahlung und das Wellen-Teilchen-Modell.
Das elektromagnetische Spektrum – Welche Bereiche elektromagnetischer Strahlung existieren und wo liegt das sichtbare Licht?
Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie – Die mathematischen Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften des Lichts.
LED-Grundlagen – Der technische Aufbau und die Funktionsweise moderner Leuchtdioden.
Quellen und fachliche Grundlagen
OpenStax, University Physics Volume 3, Kapitel „Blackbody Radiation“. Zur Quelle
OpenStax, Chemistry: Atoms First 2e, Kapitel „Electromagnetic Energy“. Zur Quelle
U.S. Department of Energy, LED Basics. Zur Quelle
U.S. Department of Energy, LED Lighting May Now Shine Brighter – Strahlende und nichtstrahlende Rekombination. Zur Quelle