Licht und Farbe

Dispersion

Welche Farbe hat Licht nun aber eigentlich? Die Antwort erhält man, wenn man es durch ein Prisma (Abb.) betrachtet. Hier wird es beim Ein- und Austritt mehrfach gebrochen. Da kurzwelliges Licht stärker gebrochen wird als langwelliges, wird es durch ein Prisma in seine verschiedenen Wellenanteile zerlegt: Farben.

 

 

Lichtbrechung im Prisma


Licht wird durch ein Prisma gebrochen und in die einzelnen sichtbaren Farbbereiche aufgespalten.

 

Streuung

Während bei der Dispersion des Prismas das Licht in gleiche Farbanteile gebrochen wird, verhält es sich bei anderen Lichtphänomenen anders. So erscheint uns der Himmel am Tage deshalb blau, weil der blaue Anteil des Sonnenlichts von Luftmolekülen der Luft stärker gestreut wird als die anderen Farbanteile. Dies liegt daran, dass diese Moleküle kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts: hierfür gilt, dass unterschiedliche Frequenzen auch unterschiedlich gestreut werden. Blaues Licht hat eine höhere Frequenz als grünes oder rotes Licht und wird deshalb stärker gestreut. Dieses Gesetz gilt aber nicht, wenn die Moleküle ungefähr gleich groß wie die Wellenlänge des Lichts sind, wie bei Wasser zum Beispiel. Hier werden alle Anteile gleich gestreut. Wolken nehmen wir deshalb als weiß wahr.

 

Die unterschiedliche Streuung von Farben führt zum Blau des Himmels

 

Die unterschiedliche Streuung von Farben an Luft- und Wassermolekülen der Atmosphäre führt zum Blau des Himmels und zum Weiß der Wolken.


Interferenz

Mit der Interferenz gibt es noch ein drittes Phänomen bezüglich der Welleneigenschaften des Lichts. Im Alltag kommt es einem beispielsweise bei Seifenblasen oder Ölpfützen unter. Es handelt sich dabei um die Überlagerung zweier Wellen. Dies nennt man Interferenz. Die Interferenz kann konstruktiv oder destruktiv auftreten.

Eine Interferenz ist konstruktiv, wenn sich die Amplituden der beiden Wellen verstärken (Abb.).

 

Konstruktive und destruktive Interferenz


Schematische Darstellung von konstruktiver und destruktiver Interferenz.

 

Destruktiv ist eine Interferenz dann, wenn die Phasen der beiden Wellen genau entgegengesetzt sind, Welle 1 sich also gerade in einem Wellental und Welle 2 in einem Wellenberg befindet. Die beiden Wellen löschen sich aus (Abb.).

 

Interferenz bei Seifenblasen

 

Das Phänomen der Interferenz wird besonders an Ölpfützen oder Seifenblasen sichtbar.

 

Was hat nun die Interferenz mit den Regenbogenfarben einer Öl-Wasser-Pfütze oder von Seifenblasen zu tun (Abb.)? Wenn Licht auf einen dünnen Ölfilm einer Wasserpfütze trifft, so wird es, wie in dem Prismabeispiel oben, mehrfach reflektiert. Anders als beim Prisma aber, wird es, durch die geringe Dichte des Öls, schon beim Eintritt in einzelne Farbanteile zerlegt, die sich beim Austritt aus der Pfütze gegenseitig überlagern. Im regelmäßigen Abstand löschen sich dabei, gemäß der destruktiven Interferenz, unterschiedliche Farbanteile aus, sodass nur die übriggeblieben Farben zu sehen sind. Diese Farben werden aufgrund ihrer Entstehung auch Interferenzfarben genannt.

 

Wieso aber ist der Mensch überhaupt dazu in der Lage, Farben zu sehen? Dieser Frage wird im Folgenden nachgegangen.

 

Additive und subtraktive Farbmischung

Es gibt zahlreiche Theorien zu Farben und Farbmischungen. Die zwei wichtigsten Farbmischgesetze werden kurz vorgestellt, um zu verstehen, warum der Mensch seine Umwelt farbig sehen kann: die additive und die subtraktive Farbmischung.

 

Die additive Farbmischung beschreibt den Farbeindruck, der beim Auge, bzw. auf der Netzhaut des Auges ankommt. Die Netzhaut des menschlichen Auges besitzt u.a. sogenannte Zapfen und Stäbchen. Während die Stäbchen Helligkeitsunterschiede wahrnehmen, sind die Zapfen für das Farbsehen verantwortlich (Abb.).

 

Schema der menschlichen Netzhaut

Die Netzhaut des menschlichen Auges beinhaltet u.a. Stäbchen zur Wahrnehmung von Helligkeitsunterschieden und Zapfen, die empfindlich für blaue, grüne und rote Farben sind.

 

Hierbei unterscheidet man zwischen drei Zapfentypen, die für blaues, grünes und rotes Licht empfindlich sind. Blau, Rot und Grün sind deshalb die Primärfarben der additiven Farbmischung. Bei der additiven Farbmischung, wird ein Farbeindruck durch Hinzufügen von Farben gewonnen. Fügt man nichts hinzu, sieht man schwarz. Mischt man alle drei "Lichtfarben" zu gleichen Teilen, so ergibt dies weiß. "Addiert" man jedoch nur zwei dieser Lichtfarben, so erhält man Cyan, Magenta oder Gelb (Abb.). Die additive Farbmischung gilt für lichtsendende Körper, wie Fernseher oder Computer, wo das Prinzip auch R(ot) G(rün) B(lau)-Modell genannt wird.

 

Additive Farbmischung


Additive Farbmischung mit den Hauptfarben Rot, Grün und Blau.

 

Bei der subtraktiven Farbmischung redet man nicht mehr von Lichtfarben, sondern von Körperfarben. Es geht also nicht mehr um das, was beim Auge ankommt und einen Farbeindruck auslöst, sondern um das, was von einem nicht-selbstleuchtenden Gegenstand (Fernseher und Monitore fallen also nicht darunter) vom ursprünglich weißen Licht absorbiert wird. Der Farbeindruck wird also durch Subtraktion von Farben hervorgerufen.

 

Durch die Subtraktive Farbmischung sehen wir die Welt bunt

Subtraktive Farbmischung - dadurch dass bestimmte Farben absorbiert und andere reflektiert werden, sehen wir die Welt bunt!.

 

Was heißt das nun? Alle Körper enthalten Farbpigmente (= farbgebende Teilchen), die Farben absorbieren können. Wenn eine Fläche also Pigmente enthält, die den blauen und grünen Anteil des Lichts absorbieren, so nehmen wir sie rot wahr - wie bei einem Apfel. Flächen mit Pigmenten, die nur den blauen und roten Anteil des Lichts absorbieren, reflektieren nur den grünen Anteil des Lichts. Das Auge nimmt die Fläche also grün wahr (Abb.), weil das blaue und rote Licht von den Körperpigmenten "subtrahiert" wurde. Pigmente die grünes Licht absorbieren, nehmen wir als magenta wahr und die, die rotes Licht absorbieren, als cyan. Wird keine Farbe von dem Licht absorbiert, so erkennen wir die Fläche als weiß und wird alles absorbiert so sehen wir schwarz. So färben die Gegenstände um uns herum das eigentlich weiße Sonnenlicht ein und lassen die Welt erst bunt erscheinen. Das Prinzip der subtraktiven Farbmischung kennt man aus dem Druckbereich, wo es auch als C(yan)M(agenta)Y(ellow)(blac)K-Modell bekannt ist.

 

 

Subtraktive Farbmischung


Subtraktive Farbmischung mit den Hauptfarben Cyan, Magenta und Gelb (CMYK-Modell).

 

Noch klarer wird einem die subtraktive Farbmischung, wenn man sich eine Zitrone vorstellt, die mal mit Sonnenlicht, das rotes, grünes und blaues Licht enthält, mal nur mit rot und blauen Licht und einmal nur mit blauen Licht beleuchtet wird. Die Pigmente der Zitronenschale haben die Eigenschaft blaues Licht zu absorbieren. Bei einfallendem Sonnenlicht werden also Rot und Grün reflektiert, die zusammen gelb ergeben. Wenn nur rotes und blaues Licht einfallen erkennt man die Zitrone als rot. Und wenn nur blaues einfällt, erscheint einem die Zitrone schwarz, da alles absorbiert wird.

 

Eine Zitrone wird mit verschieden farbigen Licht bestrahlt


In der Animation sieht man, welche Farbe eine Zitrone aufweist, wenn sie mit unterschiedlichen Lichtfarben bestrahlt wird (Rot, Grün, Blau - Rot. Blau - Blau).



 


Fazit:

Licht besteht aus unterschiedlichen Farben, die wiederum unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. In der Natur kommt es bei der Dispersion, der Streuung und der Interferenz von Licht zu erstaunlichen Farbphänomenen. Um zu beschreiben, wie Farben gemischt werden, gibt es das additive und das subtraktive Modell. Ersteres gilt für Lichtfarben, letzteres für Körperfarben.