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Farben Physik

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Farben Physik

Das Farbspektrum

Wie du sicherlich weißt, besteht deine gesamte Umgebung aus Farben. Objekte werden von weißem Licht, beispielsweise 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 weißem 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.

Farben Physik, Ein Prisma zerlegt weißes Licht in Spektralfarben, StudySmarterAbbildung 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 unterschiedlicher Frequenzen der verschiedenen Spektralfarben beim Übergang in ein anders 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 um so stärker wird es gebrochen.

Kontinuierliche Spektren

Doch was heißt denn verschiedene Frequenzen oder Wellenlängen im Zusammenhang mit Licht? Dazu musst du wissen das 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 380nm bis 750nm.

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 Wellenlängenbereichs des Farbspektrums befindet sich die ultraviolette Strahlung, rechts davon die infrarote Strahlung. Dabei füllen wir alle Spektralfarben gemeinsam in das Spektrum ein, dass 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.

Farben Physik, Volles Farbspektrum, StudySmarterAbbildung 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 niedrigem 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.

Farben Physik, Linienspektrum einer Natriumdampflampe, StudySmarterAbbildung 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 bei einander um die 590nm.

Möchtest du mehr zu den verschieden 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 ging. 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 das es sich um eine Natriumlampe handelt da die charakteristischen Linien von Natrium bei einer Wellenlänge von 588,9nm und 589,6nm 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!

Farben Physik, Versuchsaufbau Farbzerlegung, StudySmarter
Abbildung 4: Ein Versuchsaufbau zum Teilen eines weißen Lichtstrahls in der Praxis Quelle: pixabay.com

Absorptionsspektren

Im Gegensatz zu Emissionsspektren stehen Absorptionsspektren. Hier beginnen wir mit weißem Licht, dass das gesamte Spektrum enthält, also einem kontinuierlichem Spektrum. Nun strahlen wir das Licht auf eine Substanz um diese zu untersuchen. Danach zeichnen wir das Spektralbild des Lichtes 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.

Farben Physik, Absorptionsspektrum Spektrum eines Rotfilters, StudySmarter

Abbildung 5: Weißes Licht durstrahlt 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:

Farben Physik, Absorptionsspektrum Spektrum von Natriumdampf, StudySmarter

Abbildung 6: Weißes Licht durstrahlt 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 verschieden Spektralfarben in Spektralbildern gelernt. Doch wie verhalten sich Farben eigentlich untereinander? Und wie war das noch mal in Kunst, wenn du verschiedene Farben zusammen mischt, also Farbmischung betreibst? Lass und 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 gegenüber liegenden Farben, genannt Komplementärfarben, betrachten fällt uns etwas auf:

Farben Physik, Komplementärfarben Farbkreis, StudySmarter

Abbildung 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 Lichtstahl.

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 gegenüber liegende 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 SpektralfarbeMischfarbe 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, so dass 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:

Farben Physik, Additive Farbmischung Rot Grün und Blau in der additiven Farbmischung, StudySmarterAbbildung 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 dar zu stellen: 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: Mischt 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. Mischt 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:

Farben Physik, Subtraktive Farbmischung Subtraktive Farbmischung von Blau Gelb Grün, StudySmarterAbbildung 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

Licht Glühlampe StudysmarterAbbildung 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 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

Farben Physik, Licht Farbtemperatur, StudySmarter

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 höherem Blauanteil nennen wir das Licht kälter. Objekte zeigen Farben am blauem 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.

Jetzt weist du was die Zahlen auf der Packung bei deiner nächsten Leuchte bedeuten! Wenn du mehr erfahren willst zu den Eigenschaften des Lichts schau dir unsere Artikel dazu an!

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 nochmal das Beispiel der Natriumdampflampe, die ja nur im gelben Farbbereich leuchtet. Diese Lampen werden gerne wegen ihrer Effizienz als Straßenbeleuchtung genutzt, was du in Abbildung 9 sehen kannst.

Farben Physik, Körperfarben Natriumdampflampe im Straßenbild, StudySmarterAbbildung 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 Lichtes der Natriumdampflampe, erscheint die Schrift auch gelblich.

Die Farbe in der wir ein Objekt sehen hängt ab von:

- Der Farben des Lichts mit der er 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 mit Hilfe eines Prismas in seine Spektralfarben zerlegt werden
  • Ein kontinuierliches Spektrum enthält alle Spektralfarben ohne Unterbrechung
  • Elemente erzeugen ihre charakteristisches 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.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Farben Physik

In der Physik können Farben als verschiedene Wellenlängen von Licht beschrieben werden. Licht ist wiederum eine Form der elektromagnetischen Strahlung. 

Auf Grund der verschiedenen Wellenlängen des Lichts werden Farben von verschiedenen Rezeptoren im Auge, so genannten Zapfen, empfangen. Der Mensch hat Zapfen für Rot, Blau, und Grün. Aus der Mischung der drei Rezeptoren im Gehirn können wir alle Farben sehen.

Alle Objekte, außer schwarze Gegenstände, die alles Licht absorbieren, reflektieren Licht. Je nach dem welche Farben reflektiert werden und welche Farben das Objekt beleuchten, entsteht ein Farbeindruck.

Farben entstehen wenn Licht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 380 und 750 Nanometer ausgestrahlt wird. Je nach Wellenlänge entspricht das Licht dann einer Farbe.

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