Das Farbspektrum
Wie Du sicherlich weißt, besteht Deine gesamte Umgebung aus Farben. Objekte werden von weißem Licht, etwa dem Sonnenlicht, angestrahlt und wir sehen dann verschiedene Farben wie das Grün der Blätter von Pflanzen oder das Rot eines Feuerwehrautos. Doch was hat es auf sich mit dem weißen Licht? Sind dort die ganzen Farben schon von Anfang an enthalten?
Farbzerlegung
Die Antwort ist: Ja! Das weiße Licht besteht aus Lichtbündeln aller sichtbaren Farben, also ist weißes Licht eine Farbmischung zwischen allen Farben. Um das zu belegen, können wir uns eine Farbzerlegung ansehen.
Abb. 1 - Ein Prisma zerlegt weißes Licht in Spektralfarben
Trifft weißes Licht auf ein Prisma, wird es in ein kontinuierliches Farbspektrum zerlegt. Die Farben darin werden als Spektralfarben bezeichnet. Den Vorgang nennen wir Farbzerlegung oder Dispersion.
Die Farbzerlegung entsteht wegen der unterschiedlichen Frequenzen der verschiedenen Spektralfarben beim Übergang in ein anderes Medium, in diesem Fall von Luft ans Prisma. Die Lichtgeschwindigkeit der verschiedenen Farben ändert sich dabei unterschiedlich. Deshalb wird das Licht unterschiedlich stark gebrochen.
Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, umso stärker wird es gebrochen.
Kontinuierliche Spektren
Doch was heißt denn verschiedene Frequenzen oder Wellenlängen im Zusammenhang mit Licht? Dazu musst Du wissen, dass Licht, als elektromagnetische Welle aufgefasst werden kann. Und in dem Bereich, der für unsere Augen sichtbar ist, befindet sich das sichtbare Spektrum von Licht.
Der sichtbare Anteil der elektromagnetischen Wellen liegt etwa zwischen einer Wellenlänge von 380 nm bis 750 nm.
Diesen Bereich nennen wir das sichtbare Spektrum und unterteilen ihn je nach Wellenlänge in verschiedene Spektralfarben
Nun können wir das Licht je nach Farbe, was der Wellenlänge entspricht, auf einer Leiste einordnen. Die Leiste enthält dann das gesummte Farbspektrum. Links von dem Wellenlängenbereich des Farbspektrums befindet sich die ultraviolette Strahlung, rechts davon die infrarote Strahlung. Dabei füllen wir alle Spektralfarben gemeinsam in das Spektrum ein, das entspricht dann weißem Licht, das durch die Farbzerlegung an einem Prismas gebrochen wurde.
Ein kontinuierliches Spektrum, wie in Abbildung 2, enthält alle Spektralfarben ohne Unterbrechung.
Abb. 2 - Kontinuierliches Farbspektrum das alle Spektralfarben enthält Linienspektren
Nun ist Dir sicherlich klar, dass nicht nur weißes Licht existiert. Auf einer Party gibt es zum Beispiel bunte Standlichter, die in verschiedenen Farben leuchten. Das sind dann einzelne Farben aus dem gesamten Farbspektrum. Klar, denn sonst wäre das Licht ja auch weiß, wie Du jetzt weißt!
Auch chemische Elemente erzeugen ein charakteristisches Spektrum. Wenn es in Gasform einem niedrigen Druck ausgesetzt ist und leuchtet, dann werden nur ganz bestimmte Wellenlängen im Spektrum sichtbar.
Jedes Element erzeugt sein charakteristisches Linienspektrum, wenn es leuchtet. Hier sind nur bestimmte Wellenlängen als Linien im Spektralbild sichtbar.
Abb. 3 - Linienspektrum einer Natriumdampflampe
In Abbildung 3 siehst Du das Linienspektrum einer Natriumdampflampe. Hier wird durch Gasentladung von elementarem Natrium Licht erzeugt. Das gelbe Licht ist somit das charakteristische Linienspektrum von Natrium, mit zwei emittierten Wellenlängen eng beieinander um die 590 nm.
Möchtest Du mehr zu den verschiedenen Arten der Spektren erfahren? Schau Dir unsere Artikel dazu an, dort lehnst Du sie in mehr Detail kennen!
Spektralanalyse
Durch die eben gesehenen Spektren lassen sich Rückschlüsse auf die Stoffe treffen, von denen das Licht aus gehen. Genau dies ist die Aufgabe der Spektralanalyse!
Wird in einem Spektrum ein bestimmtes Linienspektrum beobachtet, dann ist das Element, das dieses charakteristische Linienspektrum aussendet, in der Lichtquelle vorhanden.
Diese Rückschlüsse sind Aufgabe der Spektralanalyse.
Im obigen Fall in Abbildung 3 können wir uns sicher sein, dass es sich um eine Natriumlampe handelt, da die charakteristischen Linien von Natrium bei einer Wellenlänge von 588,9 nm und 589,6 nm liegen
Emissionsspektren
Bei Emissionsspektren wird wie im Fall der Natriumdampflampe Licht von einer Lichtquelle emittiert, also ausgesendet, daher auch der Name.
Emissionsspektren zeigen emittiertes Licht einer bestimmten Lichtquelle. Dieses Spektrum wir mit einem Spektroskop analysiert, um Rückschlüsse auf die Lichtquelle zu ziehen.
Zur Analyse des Emissionsspektrums wird mit einem Spektroskop das Licht der Lichtquelle eingefangen und ausgemessen. Dazu befindet sich im Spektroskop ein Prisma, das wie in Abbildung 1 gezeigt das Licht in seine Spektralfarben aufspaltet. Es kann auch ein Gitter enthalten, das das Licht aufteilt.
Dann werden die hellen Stellen im Spektrum verglichen mit den charakteristischen Linienspektren von bekannten Elementen. Treten Gemeinsamkeiten auf, können wir davon ausgehen, dass diese Elemente in der Lichtquelle emittiert haben.
Mehr dazu kannst Du im Artikel Farbspektrum lernen!
Abbildung 4: Ein Versuchsaufbau zum Teilen eines weißen Lichtstrahls in der Praxis Quelle:
pixabay.comAbsorptionsspektren
Im Gegensatz zu Emissionsspektren stehen Absorptionsspektren. Hier beginnen wir mit weißem Licht, das das gesamte Spektrum enthält, also einem kontinuierlichen Spektrum. Nun strahlen wir das Licht auf eine Substanz, um diese zu untersuchen. Danach zeichnen wir das Spektralbild des Lichts auf, das die Substanz durchdringen konnte.
Absorptionsspektren zeigen das Licht auf, das durch Substanzen nicht aufgehalten wurde. Somit bleiben Spektralfarben, die absorbiert wurden, im Spektralbild dunkel.
Betrachten wir einen Rotfilter, wie er beispielsweise bei der Bühnentechnik in Scheinwerfern verwendet wird: Eine rote Folie wird vor eine weiße Lampe gesteckt.
Dabei leuchtet die Lampe durch den Filter nur noch rot, obwohl sie davor weiß geleuchtet und ein kontinuierliches Spektrum ausgestrahlt hatte. Wie kommt dieses Phänomen zu Stande?
Der Rotfilter absorbiert alle Spektralfarben außer Rot, wie im Spektralbild ersichtlich. Dadurch kann nur rotes Licht den Filter passieren und daher erscheint uns das Licht nach dem Filter rot.
Abb. 5 - Weißes Licht durchstrahlt einen Rotfilter und erzeugt ein Absorptionsspektrum
Weiterführend können wir statt der Natriumlampe Natriumdampf analysieren, welches von selbst kein Licht emittiert. Bestrahlen wir jedoch diesen Stoff mit weißem Licht, sehen wir im Absorptionsspektrum nach Passieren des Dampfs zwei Linien, wo Licht absorbiert wurde! Genau diese beiden Linien kennen wir schon von vorhin als charakteristisches Linienspektrum von Natrium:
Abb. 6 - Weißes Licht durchstrahlt Natriumdampf, dabei absorbiert es sein charakteristisches Linienspektrum
Somit können wir auch aus den Absorptionsspektren Rückschlüsse auf die Stoffzusammensetzung treffen. Dabei müssen wir auf die Spektralfarben achten, die von der Substanz absorbiert werden.
Willst Du mehr darüber lernen, wie Du Stoffe mittels Spektralanalyse analysieren kannst und welche Geräte dafür genutzt werden? Schau Dir unseren Artikel zur Spektralanalyse an!
Farbmischung
Nun hast Du viel über die verschiedenen Spektralfarben in Spektralbildern gelernt. Doch wie verhalten sich Farben eigentlich untereinander? Und wie war das noch mal in Kunst, wenn Du verschiedene Farben zusammenmischt, also Farbmischung betreibst? Lass uns mal genauer die Interaktion zwischen verschiedenen Farben und Licht bei der Farbmischung anschauen!
Komplementärfarben
Wir können die verschiedenen Spektralfarben, die wir wahrnehmen, statt auf einem Spektralbild auf einem Kreis einzeichnen. Wenn wir nun die jeweils gegenüberliegenden Farben, genannt Komplementärfarben, betrachten, fällt uns etwas auf:
Abb. 7 - Jeweils gegenüberliegende Farben im Farbkreis sind Komplementärfarben
Um die Komplementärfarbe zu einer Farbe zu erhalten, blenden wir diese Farbe auf der einen Seite des Farbkreises aus, beispielsweise mit einer Blende in einem Lichtstrahl.
Nun führen wir die übrigen Farben zusammen, betreiben somit Farbmischung mit allen anderen Farben im Farbkreis. Damit erhalten wir genau die Farbe, die gegenüber der ursprünglichen Farbe im Farbkreis liegt!
Bilden wir das Farbspektrum auf einen Farbkreis ab und wählen dabei gegenüberliegende Farben, bilden die beiden Farben jeweils Paare. Dabei mischt sich das restliche Licht beim Ausblenden der ersten Farbe zur zweiten gegenüberliegenden Farbe zusammen. Die Farbpaare nennen wir Komplementärfarben.
Hier eine kurze Aufstellung von Komplementärfarbpaaren:
| Ausgeblendete Spektralfarbe | Mischfarbe des restlichen Spektrums |
| Rot | |
| Orange | |
| Gelb | |
| Grün | |
| Blau | |
| Violett | |
Additive Farbmischung
Wir können Farben auf verschiedene Arten kombinieren. Bisher haben wir Licht betrachtet und verschiedene Lichtstahlen kombiniert. Diese Art der Farbmischung fällt unter die Additive Farbmischung. Denn um beispielsweise die Komplementärfarben zu erhalten, haben wir Licht per Farbmischung zusammen kombiniert.
Kombinieren wir verschieden farbige Lichtstahlen, sodass sie sich überlagern, sprechen wir von additiver Farbmischung. Hierbei werden die Farben zu einem gemeinsamen Spektrum addiert, das Mischspektrum enthält immer mehr Farbvolumen, als jeweils die einzelnen Farben davor.
Wir können beispielsweise aus Rot, Grün und Blau alle anderen Farben mit additiver Farbmischung darstellen:
Abb. 8 - Rot, Grün und Blau bilden in der additiven Farbmischung alle anderen Farben ab
Diese Farbkombination, auch RGB-Farben genannt, wird oft in der modernen Technik genutzt, um alle möglichen Farben mittles deren Farbmischung darzustellen: Dein Monitor oder Handy nutzt kleine Lichtpunkte mit diesen Farben im Bildschirm und die RGB Streifen, die oft als bunte Hintergrundbeleuchtung verbaut werden, haben ihren Namen wegen diesen drei Farben.
Subtraktive Farbmischung
Im Gegensatz zur additiven Farbmischung nutzen wir bei der subtraktiven Farbmischung kein Licht, sondern absorbierende Substanzen. Am ehesten kennst Du dieses Prinzip aus dem Kunstunterricht mit Wassermalfarben: Mischst Du dort mehrere Farben zusammen, wird das Resultat in der Regel dunkler und bei vielen Farben Richtung ein dunkles Braun gehen.
Bei der Farbmischung passiert Folgendes: Jede Farbe absorbiert ein Teil des Spektrums. Mischst Du zwei Farben werden beide Anteile des gesamten Spektrums absorbiert und nur der Teil bleibt sichtbar, der nicht in beiden Farben enthalten ist.
Bei der subtraktiven Farbmischung absorbieren die Farben jeweils ein Teil des Lichts. Der restliche Anteil des Spektrums bildet eine Mischfarbe, die sichtbar bleibt. Somit bleibt nach der Farbmischung immer weniger Farbvolumen sichtbar, als bei jeweils den einzelnen Farben davor.
Betrachten wir ein Beispiel, in dem Du aus blauer und gelber Farbe Grün mischen möchtest:
Abb. 9 - Mischen wir Blau und Gelb so wird nur der gemeinsame Anteil beider Farben nicht adsorbiert: Grün
Dabei kannst Du erkennen, dass die Farben jeweils ein Absorptionsspektrum zeigen, wo aus der Kombination der nicht absorbieren sichtbaren Spektralfarben die Farbe Blau, Gelb oder Grün entsteht. Mischen wir nun die blaue und grüne Farbe, wird das Licht überall dort absorbiert, wo beide vorher ihren Absorptionsanteil hatten. Übrig bleibt nur ein dünner Streifen im grünen Bereich, der reflektiert und damit für uns sichtbar wird: Wir erhalten grüne Farbe.
Wenn du ein Experte in der Farbmischung werden möchtest und Deinen Kunstlehrer mit Deinem Wissen beeindrucken willst, schau doch in unseren Artikel zur Farbmischung!
Weißes Licht
Abbildung 10: GlühbirneQuelle: pixabay.comBisher haben wir immer von weißem Licht geredet, und meinen dabei idealisiertes weißes Licht. Doch in der Realität sieht das anders aus: Sogar im Baumarkt stehen verschiedene Weißtöne bei der Beleuchtung zur Verfügung. Und wie hell ist Licht, das wir sehen, eigentlich?
Zunächst einmal gibt es Messgrößen, die beschreiben, wie viel Licht von einer Lichtquelle ausgesendet wird. In der Physik ist es relativ einfach zu quantisieren wie viel Energie von einer Lichtquelle ausgesendet wird. Das wird üblicherweise in der Einheit Watt getan.
Interessieren wir uns jedoch nur für den sichtbaren Anteil, wird es jedoch wesentlich komplexer: Das menschliche Auge nimmt verschiedene Wellenlängen verschieden wahr.Daher kann uns eine Lichtquelle, die energetisch mehr Licht aussendet, weniger hell vorkommen als eine andere Lichtquelle. Diese zweite Lichtquelle strahlt zwar energetisch weniger, aber dafür mehr in den für uns besser sichtbaren Wellenlängen und das Licht wird vom Auge besser wahrgenommen.
Wenn Du Dich mehr für die Wahrnehmung des menschlichen Auges interessierst, schau Dir gerne unseren Artikel dazu an!
Glühbirnen verbrauchen mehr Strom, um gleich hell zu leuchten, wie eine LED-Leuchte. Dies liegt unter anderem daran, dass die Glühbirne zwar energetisch mehr Licht ausstrahlt, aber nicht im für uns wahrnehmbaren Wellenlängenbereich. LEDs dagegen strahlen Licht fast nur im gut sichtbarem Spektrum aus und erzeugen damit für uns mehr nutzbares Licht.
Es gibt dazu verschiedene Methoden die Intensität des ausgesendeten Lichts zu messen, dabei werden zur Bewertung Einheiten wie Lumen oder Candela verwendet.
Farbtemperatur
Bei weißem Licht ist auch die Verteilung der Spektralfarben innerhalb des weißen Lichts nicht immer gleich.
Eine Lichtquelle kann einen höheren Rotanteil haben, dann nennen wir das Licht wärmer. Objekte, die von diesem Licht beleuchtet werden, zeigen Farben, die am roten Ende des Spektrums sind, deutlicher. Etwa beim Sonnenaufgang oder einem Lagerfeuer.
Bei einem höheren Blauanteil nennen wir das Licht kälter. Objekte zeigen Farben am blauen Ende des Spektrums deutlicher. Wie beim Tageslicht der Sonne.
Die Farbtemperatur ist definiert durch die Temperatur in Kelvin eines sogenannten schwarzen Körpers, die zu einer bestimmten Farbe des Lichts gehört.
Dabei ist ein höherer Rotanteil im Licht verbunden mit einer niedrigeren Temperatur in Kelvin. Wir nennen das Licht warm.
Ein höherer Blauanteil im Licht ist verbunden mit einer höheren Temperatur in Kelvin. Wir nennen das Licht kalt.
Was ein schwarzer Körper genau bedeutet, musst du hierfür nicht im Detail verstehen.
Körperfarben
Nun können wir Körper nicht nur mit weißem Licht beleuchten, sondern auch mit unterschiedlichen Farben.
Bei unterschiedlicher Beleuchtung können Körper verschiedene Farben haben.
Betrachten wir noch mal das Beispiel der Natriumdampflampe, die im gelben Farbbereich leuchtet. Diese Lampen werden gerne wegen ihrer Effizienz als Straßenbeleuchtung genutzt, was Du in Abbildung 9 sehen kannst.
Abbildung 11: Eine Natriumdampflampe lässt alles in Gelbtönen erscheinenQuelle: pixabay.com
Wir sehen, dass das Straßenbild gelblich erscheint. Sicherlich ist Dir klar, dass beispielsweise die Schrift auf dem Straßenbelag im Tageslicht weiß erscheinen würde. Aber aufgrund des gelben Lichts der Natriumdampflampe, erscheint die Schrift auch gelblich.
Die Farbe, in der wir ein Objekt sehen, hängt ab von:
- Der Farben des Lichts, mit der es bestahlt wird
- Seinem Reflexions- und Absorptionsvermögen für verschiedene Farben.
Nun hast Du alles Grundlegende über Farben in der Physik gelernt! Möchtest Du mehr lernen zu den einzelnen Abschnitten, kannst Du Dir unsere Artikel dazu anschauen!
Farben Physik - Das Wichtigste auf einen Blick
- Weißes Licht kann mithilfe eines Prismas in seine Spektralfarben zerlegt werden
- Ein kontinuierliches Spektrum enthält alle Spektralfarben ohne Unterbrechung
- Elemente erzeugen ihre charakteristischen Linienspektren, wenn sie leuchten
- Mit der Spektralanalyse können mittels Emissionsspektren oder Absorptionsspektren Rückschlüsse auf die Lichtquelle geschlossen werden
- Komplementärfarben liegen im Farbkreis gegenüber
- Bei der additiven Farbmischung werden Spektren addiert, bei der subtraktiven Farbmischung die absorbierten Spektren abgezogen.
- Farbtemperaturen zeigen Rot- oder Blauanteil in weißem Licht. Rotes Licht ist warm, blaues Licht ist kalt.
- Die Farbe, die ein Objekt hat, hängt von der Farbe des Lichts, mit dem es bestrahlt wird und seinem Reflexions- und Absorptionsvermögen ab.
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