Entstehung von Farben

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Farbe entsteht im menschlichen und tierischen Sehorgan als Farbvalenz, wenn ein Farbreiz, das ist Licht mit Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm und mit spektraler Intensitätsverteilung, die Zapfen entsprechend deren Wahrnehmungsspektrum erregt. Hier wird erklärt, wie diese spektrale Verteilung entstehen kann. Sinngemäß trifft dies für alle elektromagnetischen Wellen zu.

Farben selbst leuchtender Objekte

Das für das Erkennen von Farbe nötige Licht kann direkt von „Strahlern“ verschiedener Art ausgehen.

Straßenbeleuchtung mit Natriumdampflampe, die engbandiges Licht abstrahlt (mit innerer Reflexion im Kamerasystem)

Emission

In Atomen oder Molekülen werden die Elektronen durch Zufuhr von Energie angeregt und so in einen Zustand höherer Energie versetzt. Nach kurzer Zeit fällt das angeregte Elektron wieder in einen Zustand niedrigerer Energie zurück und gibt die zuvor erhaltene Energie in Form eines Photons ab. Ähnliches gilt für Konformationsänderungen und Übergängen zwischen Schwingungs- und Rotationszuständen von Molekülen, die mit Energieaufnahme bzw. -abgabe verbunden sind.

Nach der Quantenhypothese ist die Frequenz des Photons umso größer, je höher die Energiedifferenz des Elektronensprungs ist. Das bedeutet, dass die emittierte Strahlung umso kurzwelliger ist. Liegt ihre Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts, also zwischen ca. 400 nm und 800 nm, so sieht man den Körper leuchten. Elektronische Übergänge zwischen inneren Schalen sind typischerweise so energiereich, dass die dabei entstehende Strahlung im Röntgen- oder UV-Bereich liegt und damit unsichtbar ist. Übergänge zwischen Schwingungs- und Rotationszuständen sind wiederum so energiearm, dass die Strahlung hier im ebenso unsichtbaren IR- oder Mikrowellen-Bereich liegt. Sichtbares farbiges Licht entsteht also vor allem bei Übergängen in der äußeren Atomhülle.

Da die Elektronen eines Atoms nicht beliebige, sondern nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen können, werden immer nur ganz bestimmte Mengen an Energie (Quanten) und damit ganz bestimmte Wellenlängen abgestrahlt. Das Ergebnis sind sogenannte Spektrallinien, deren monochromatisches (einfarbiges) Licht vom Menschen als je eine Spektralfarbe wahrgenommen wird.

Beispielhaft kann man diese Wirkung bei der Spektralanalyse oder durch einen Demonstrationsversuch am Gasherd verfolgen. Hierbei wird Natriumchlorid in die Flamme gebracht. Durch deren Hitze werden Elektronen der äußeren Schale der Natriumatome angeregt. Fallen diese Elektronen wieder in den Grundzustand, senden sie ein Photon im Bereich des orangen Lichtes aus. Auch an Straßenlaternen mit Natriumdampflampen sieht man diesen Farbeffekt. Bei LEDs erfolgt der Elektronensprung nicht zwischen den Energieniveaus einzelner Atome, sondern zwischen den Bändern des Halbleiters. Maßgeblich für die Farbe des abgestrahlten Lichts ist hier also die Bandlücke. Das Prinzip bleibt jedoch dasselbe.

Kontinuierliches Spektrum

Das Spektrum des Sonnenlichts, wie es durch das Prismensystem der Kamera zerlegt wird

McCree-Kurve des Sonnenlichts bei klarem Himmel

Es gibt nicht nur die Emission monochromatischer Linien. Alle Körper senden durch die thermische Bewegung ihrer Teilchen Wärmestrahlung aus, deren spektrale Verteilung von der Temperatur abhängt (siehe Plancksches Strahlungsgesetz). Zwar erfolgt auch hier die Energieabgabe in Form von diskreten Energiequanten. Wegen der unüberschaubar großen Zahl der verschiedenen Bewegungszustände ergibt sich aber insgesamt ein kontinuierliches Spektrum, das einen glockenförmigen Verlauf zeigt: Große Wellenlängen tragen wegen ihrer verhältnismäßig geringen Energie wenig zum Spektrum bei. Sehr energiereiche Übergänge sind aus thermodynamischen Gründen unwahrscheinlich. Dazwischen existiert ein Maximum der Strahlungsleistung, dessen Wellenlänge von der Temperatur abhängig ist: Je heißer der Strahler, desto kurzwelliger (siehe Wiensches Verschiebungsgesetz). Wird bei Zimmertemperatur Wärmestrahlung hauptsächlich im Infrarot gesendet, so verschiebt sich das Strahlungsmaximum mit zunehmender Temperatur von Rot über Gelb und Weiß schließlich nach Blau. Davon kommen die Farbeindrücke: Rot glühende Grillkohle, „gelbes“ Kerzenlicht, das Weiß des Sonnenlichts, das „grelle Weiß“ eines Lichtbogens usw.

Wirkspektrum einer Quarz-Halogen-Lampe

Zerlegt man das Licht solcher heißer Lichtquellen durch ein Prisma oder ein Beugungsgitter, so sieht man ein kontinuierliches Spektrum mit allen Farben. Das Sonnenlicht hat näherungsweise ein kontinuierliches Spektrum mit einem Maximum bei 500 nm entsprechend einer Oberflächentemperatur von ca. 6000 K. Einzelne Spektrallinien fehlen jedoch, weil sie durch die Sonnenatmosphäre absorbiert werden (siehe Fraunhoferlinien).

Farben nicht selbst leuchtender Objekte

Das für die Erkennung von Farbe notwendige Licht kann auch indirekt wahrgenommen werden, wenn es von Körpern reflektiert oder durchgelassen wird. Dabei ändert sich seine spektrale Zusammensetzung.

Remission

Viele Körper „haben“ von Natur aus eine Eigenfärbung (grüne Pflanzen, rotes Blut, verschiedene farbige Blüten, rote oder braune Erde). Andere Körper wurden absichtlich mit einer gewünschten Farbe versehen. Beispielhaft hierfür ist jede mit einem Färbemittel gefärbte Textilie, ein lackiertes Auto oder ein angestrichenes Haus.

In diesen Fällen wird nur ein Teil des Lichtes, das auf die farbigen Körper fällt, wieder reflektiert. Die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts ist gegenüber der Beleuchtung verändert und erweckt damit einen bestimmten Farbeindruck beim Betrachten des Körpers.

Streuung

Die spektrale Zusammensetzung des gestreuten Lichtes ist nicht in allen Streurichtungen die gleiche. Die Streuung hängt stark vom Verhältnis der Teilchengröße zur Wellenlänge ab. In milchigen Medien (wie Milchglas, Opal, staubige Luft) werden die längeren Wellen weniger gestreut als die kürzeren. Deshalb erscheinen solche Medien im Durchlicht gelb bis rot, im Streulicht eher blau. Ein Beispiel hierfür ist das Blau des Himmels und das Rot des Sonnenauf- oder -untergangs.

Brechung

Dispersion: Farben durch unterschiedlich starke Brechung

Beim Durchgang des Lichtstrahls durch eine Grenzfläche zwischen zwei optisch durchsichtigen Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex wird er durch den Unterschied in den Lichtgeschwindigkeiten abgelenkt. Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird verschieden stark gebrochen, da die Lichtgeschwindigkeit in dichten Medien von der Wellenlänge abhängt. Polychromatisches (mehrfarbiges) Licht verschiedener Wellenlängen (entsprechend den verschiedenen wahrgenommenen Farben) wird unterschiedlich abgelenkt. So kommt es zu einer spektralen Aufspaltung, zur sogenannten Dispersion. Das bekannteste Beispiel ist der Regenbogen.

Interferenz

Öltropfen auf einer feuchten Straße durch Newtonsche Interferenz

Bei der Interferenz werden Lichtwellen an dünnen Schichten in zwei Anteile gespalten, die miteinander in eine Wechselwirkung von Verstärkung oder Auslöschung treten. Je nach der Schichtdicke findet die Auslöschung bei unterschiedlichen Wellenlängen statt. Dadurch verändert sich die spektrale Zusammensetzung des auftreffenden Lichtes, das reflektierte oder durchgelassene Licht erweckt deshalb einen Farbeindruck. Typisch sind die Farbringe von auf Wasser ausgebreiteten Öltropfen oder sich bewegenden Schlieren auf Seifenblasen. Sehr schöne Beispiele dafür sind auch die Interferenzfarben der Flügelfedern von Kolibris und Pfauen oder der Flügelschuppen von Schmetterlingen.

Strukturfarben

Strukturfarben sind besondere Interferenzfarben. Sie entstehen, wenn regelmäßige Feinstrukturen zu einer Beugungsinterferenz zwischen den reflektierten oder durchtretenden Lichtwellen führen. Die dabei sichtbaren Farben hängen vom Einfallswinkel des Lichtes und von der Betrachtungsrichtung ab. Beispiele sind die „schillernden“ CDs oder Oberflächenhologramme. Auch die schillernden Oberflächen einiger Insekten wie Käfer und Schmetterlinge sowie die von Vogelfedern werden auf diese Art farbig.

Siehe auch

Literatur

Hannelore Dittmar-Ilgen: Wie das Salz ins Meerwasser kommt. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1315-0.

Weblinks

Artikel über Strukturfarben auf naklar.at

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