Entstehung von Farben

Farbe entsteht im menschlichen und tierischen Sehorgan, dazu ist in jedem Fall ein Lichtreiz nötig. Dieser entsteht beim Menschen, wenn Licht des sichtbaren Bereichs mit unterschiedlichen Wellenlängen (380 nm - 780 nm) im Auge die Zapfen erregt.

Farben selbst leuchtender Objekte

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

Emission

Bei leuchtenden Körpern entstehen Farben durch das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, das ist Emission, unterchiedlicher Energie. Es werden in Atomen 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 von elektromagnetischer Strahlung ab.

Je höher die Energie des Elektronensprungs ist, desto kurzwelliger ist die Strahlung. Liegt die Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts, sieht man den Körper leuchten.

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 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 äußere 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.

Kontinuierliches Spektrum

Es gibt nicht nur die Emission monochromatischer Linien. Alle Körper senden durch ihren Wärmeinhalt ein kontinuierliches Spektrum aus, dessen spektrale Verteilung von der Temperatur abhängt. Die Ursache ist hier letztlich der Bewegungszustand der Moleküle. Wird bei Zimmertemperatur eine Wärmestrahlung im Infrarot gesendet, verschiebt sich das Strahlungsmaximum mit zunehmender Temperatur nach Rot (sichtbares Rotglühen) über Gelb und Weiß und schließlich nach Blau. Davon kommt der Eindruck des „gelben“ Kerzenlichts über das Weiß des Sonnenlichts bis hin zum „grellen Weiß“ eines Lichtbogens und dem blauweißen Eindruck der Plasmalampen.

Zerlegt man das Licht solcher heißer Lichtquellen z.B. durch ein Prisma oder ein Beugungsgitter, so sieht man ein kontinuierliches Spektrum mit allen Farben.

Farben nicht selbst leuchtender Objekte

Das für die Erkennung von Farbe notwendige Licht kann auch indirekt nach Änderungen der spektralen Zusammensetzung von Körpern reflektiert oder durchgelassen werden.

Remission

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Viele Körper "haben" von Natur aus eine Eigenfarbe (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 verändert gegenüber der Beleuchtung, und erweckt damit einen Farbeindruck beim Betrachten des Körpers.

Streuung

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Die spektrale Zusammensetzung des gestreuten Lichtes ist nicht in allen Streurichtungen die gleiche. In milchigen Medien (z.B. 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

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Wird Licht an der Grenzfläche zweier unterschiedlich dichter durchlässiger Medien gebrochen (Zwischen Luft und Glas oder Luft und Wasser), so werden die unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich stark abgelenkt. Lichtstrahlen verschiedener "Farbe" nehmen also eine unterschiedliche Richtung ihres Verlaufs. Es kommt zu einer spektralen Aufspaltung, zur sog. "Dispersion". Das bekannteste Beispiel ist der Regenbogen.

Interferenz

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Bei der Interferenz werden Lichtwellen an dünnen Schichten in zwei Anteile gespalten, die mit einander 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. Beispiele sind die Farbringe von Ölpfützen. Sehr schöne Beispiele dafür sind auch die Interferenzfarben an Flügeln von Kolibris oder Schmetterlingen.

Strukturfarben

Strukturfarben sind nächstverwandt den Interferenzfarben. Sie entstehen, wenn regelmäßige Feinstrukturen zu einer Beugungsinterferenz zwischen den reflektierten oder durchtretenden Lichtwellen führt. Die dabei sichtbaren Farben hängen vom Einfallswinkel des Lichtes und von der Betrachtungsrichtung ab. Derzeit bekanntestes Beispiel sind die "schillernden" CDs oder Oberfächenhologramme (Heliogramme)..

Siehe auch

Literatur

Hannelore Dittmar-Ilgen: Wie das Salz ins Meerwasser kommt. Hirzel Verlag., Stuttgart 2005, ISBN 3777613150.