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Warum Glas durchsichtig ist

Im Dienste des Lichts

Quarzsand, Soda und Kalk. Seit mehr als 7.000 Jahren sind das die Zutaten für Glas. Bei 1.400 Grad Celsius aufgeschmolzen, offenbaren sie nach dem Erkalten der Schmelze die Eigenschaft, die das Glas vor allen anderen künstlich erzeugten Stoffen auszeichnet: Es wird durchsichtig.

Glas ist im Infrarotlicht nicht transparent, Silizium dagegen schon © Max Schulz

Dieses Phänomen hat unser Leben beeinflusst wie die Erfindung des Rads. Transparentes Glas ermöglichte es, das Licht zu bändigen und stets verfügbar zu machen. Doch umgekehrt wäre das Glas nichts ohne Licht. Denn erst mit dem Licht wird Glas transparent.

Eine Frage der Wellenlänge

Tatsächlich ist Glas nämlich genau so „durchsichtig“ wie andere Stoffe auch. Zufällig jedoch lässt es das für Menschen sichtbare Licht passieren. Für andere, nicht sichtbare Lichtwellen, wie zum Beispiel für Mirkowellen oder einen Teil des Ultravioletten Lichts, ist Glas undurchlässig. Licht selbst ist elektromagnetische Strahlung. Aus der Palette von sehr kurzen Wellen mit der Länge weniger Atome bis hin zu kilometerlangen Radiowellen können Menschen nur einen winzigen Ausschnitt über die Augen wahrnehmen, das sichtbare Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 780 Nanometern.

Lichtspektrum und benachbarte Wellenlängen © MMCD

Infrarotwellen zum Beispiel sind länger als die des sichtbaren Lichts, sie werden als Wärme in die Umgebung abgestrahlt. Die größten, bis zu einem Millimeter langen Wellen des Infrarotbereichs, können Glas nicht mehr durchdringen. Eine Wärmebildkamera, die ein Foto ausschließlich aufgrund der IR-Strahlung erstellt, kann normales Glas deshalb der Undurchsichtigkeit „überführen“, denn Brillengläser sind für diesen Wellenbereich undurchdringbar. Reines Silizium dagegen, ein Halbmetall und für das menschliche Auge gewöhnlich undurchsichtig, ist im Infrarotbereich transparent.

Photonenfänger

Wieso aber können einige Lichtwellen das Glas passieren und andere nicht? – Diese Entscheidung fällt im Reich der Atome, Elektronen und Photonen. Photonen sind die „Teilchen“, aus denen Licht besteht. Je nach Wellenlänge schwingen die Photonen innerhalb der Lichtwelle mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Frequenz wiederum beeinflusst das Schicksal der Photonen, wenn sie in Materialien eindringen, wenn also Licht auf bestimmte Körper oder Stoffe fällt. Der spezielle atomare Aufbau des beleuchteten Materials ist dabei ebenso wichtig, er bestimmt die Empfänglichkeit für bestimmte Frequenzen. Denn es gibt transparente Kombinationen – wie Glas und sichtbares Licht oder Silizium und langwelliges IR-Licht – und „undurchsichtige Allianzen“, wie sichtbares Licht und eine Betonwand.

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Verschiedene Farbfilter © Schott AG

Treffen die elektromagnetischen Wellen also als Licht-, Radio- oder Röntgenstrahlen auf Hindernisse, haben die Photonen grundsätzlich drei Möglichkeiten: Werden sie reflektiert, gelangen sie zum Beispiel als Bild ins menschliche Auge. Dringen sie ein, kommt es auf das jeweilige Material an. Wenn die Photonen hier auf freie Elektronen treffen, die empfänglich für die jeweilige Frequenz sind, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen und hören auf, als Photon zu existieren; das Licht wird absorbiert und als Wärme gespeichert.

Treffen die Photonen jedoch keine empfänglichen Elektronen an, sei es der unpassenden Frequenz wegen oder aufgrund einer großräumigen Molekülstruktur, haben sie freie Bahn. Sie durchdringen das Material und treten auf der anderen Seite wieder aus. Gewöhnliches Fensterglas ist deshalb durchsichtig.

Denn die Photonen aus der ganzen Bandbreite des sichtbaren Lichts passieren das Glas nahezu ungehindert. Foto-Filter dagegen können, um Kontraste auf Bildern zu verbessern, sogar einzelne Farben aus dem sichtbaren Licht „herausschneiden“. Ein Gelb-Filter beispielsweise fängt alle „gelben“ Photonen mit der Wellenlänge von 570 Nanometern und einer Frequenz von 500 Tera-Hertz ein.

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Stand: 08.10.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Glas
Ein schwer durchschaubarer Stoff

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Im Dienste des Lichts
Warum Glas durchsichtig ist

Ein undurchsichtiges Phänomen
Nicht fest, nicht flüssig – Der Glaszustand

Vulkane, Blitze, Meteoriten
… und die Entstehung natürlicher Gläser

Neue Gläser braucht das Land
Aus den Labors moderner Glasmacher

Von Lidschatten und Herdplatten
Hightech-Glas erobert den Alltag

Lange Leitung
Glasfasern und der Weg zur Photonik

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Das Rätsel der fließenden Kirchenfenster
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