Licht

Das Licht kann unter vielen Aspekten betrachtet und untersucht werden. Es kann als
Stahl (Strahlenoptik), als Welle (Wellenoptik) oder als Teilchen (Photonen) betrachtet
werden.
Allgemein kann das Licht als elektromagnetischer Sachverhalt mit Welleneigenschaften
dargestellt werden. Die vollständige Beschreibung erfolgt mit der Quantenelektrodynamik.
Licht ist also der für das menschliche Auge sehbare Anteil des Spektrums der elektromagnetischen Wellen. Der infrarote und der ultraviolette Bereich kann auch dazu genommen werden.
Wechselwirkung mit Materie
Je nach der Wechselwirkung des Lichtes mit Materie kann das Licht entsprechend untersucht werden:
Reflexion
Brechung
Streuung
Absorption
optische Aktivität
Photoeffekt
Reflektion von Licht
Einfallender
Lichtstrahl
Reflektierter
Lichtstrahl
Lot
Einfallswinkel
Reflexionswinkel
Trifft Licht auf eine glatte und undurchlässige Oberfläche, dann gilt:
1.Teil: Einfallender Strahl, Einfallslot (Lot auf Spiegel im Auftreffpunkt)
und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene, der Einfallsebene.
2. Teil: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß, kurz α=α′.
Das Spiegelbild
Das Spiegelbild ist ein virtuelles Bild, da von dem
Ort, an dem man du es wahrnimmst, kein Licht
ausgeht. Der Betrachter schaut nicht in der Richtung
des Gegenstandes, um dessen Bild zu sehen!
Um 8000 v. Chr. gab es in Mesopotamien
bereits polierte Bronzespiegel.
Der nebenstehend abgebildete
Metallspiegel wurde bei Ausgrabungen in
Ägypten gefunden und stammt wohl aus der
Zeit um 3000 v. Chr.
Später bestanden die Spiegel aus Kupfer,
Silber oder Gold. In mühseliger Polierarbeit
musste eine plane Fläche geschaffen
werden, damit ein unverzerrtes Spiegelbild
möglich war. Aber auch beim täglichen
Gebrauch war noch Polierarbeit vonnöten,
da die Spiegeloberfläche leicht "anlief" und
dadurch matt wurde.
Nachdem lange Zeit polierte Kupfer- oder
Silberscheiben als Spiegel gedient haben,
schufen schließlich die Phönizier kleine
Glasspiegel mit Zinnunterlagen. Da das
verwendete Glas aber keine plane Flächen
aufwies, wurden die Metallspiegel noch für
Jahrhunderte nicht vom Glasspiegel
verdrängt.
Erst das 1688 in Frankreich unter König Ludwig XIV. erfundene
Plattengießverfahren reichte aus, großflächige Spiegel zu schaffen.
Dazu wurde die Glasmasse durch Walzen auf einem Tisch ausgebreitet.
Nach dem Erkalten des Glases schliff und polierte man dessen
Oberflächen glatt und eben. So entstand Flachglas von höchster
Qualität, das durch Belegung mit niedrigschmelzendem Metall zum
Spiegel wurde. Der Spiegelsaal in Versailles gibt Zeugnis von der
damaligen Handwerkskunst.
Der Parabolspiegel
Seine Form ähnelt der einer Parabel. Dann werden einfallende Parallelstrahlen (Verlaufen parallel zur optischen
Achse) als Brennpunktstrahlen (Verlaufen durch den Brennpunkt F) reflektiert. Einfallende Brennpunktstrahlen
werden als Parallelstrahlen reflektiert.
Parallelstrahl wird zum Brennpunktstrahl:
Parallelstrahlen
Optische Achse
Brennpunktstrahlen
Spiegelteleskop
Brennpunktsrahl wird zum Parallelstrahl:
Scheinwerfer
Solarkocher
Brechung von Licht
•Ein Lichtstrahl ändert an der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher
optischer Dichte seine Ausbreitungsgeschwindigkeit und seine Ausbreitungsrichtung. Der Strahl wird gebrochen.
•Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium wird
der Strahl zum Lot hin gebrochen (α1>α2).
•Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird
der Strahl vom Lot weg gebrochen (α1<α2).
Erklärungen zum Brechungsgesetz:
Das "Abknicken" von Licht beim Übergang von z.B. Luft nach Glas führt man auf die unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten in den beiden
Medien zurück. Während der linke Teil der "Lichtfront" noch mit höherer Geschwindigkeit in Luft weiterläuft, bewegt sich der rechte Teil der
Front schon mit niedrigerer Geschwindigkeit im Glas. Das Verhältnis cLuft : cWasser der Ausbreitungsgeschwindigkeiten bestimmt, wie stark ein
Lichtstrahl "geknickt" wird. Man bezeichnet dieses Verhältnis als Brechungsindex n. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist ca. 300000km/s, die in
Glas 200000km/s. Daraus folgt, dass der Brechungsindex Luft-Glas den Wert 300000km/s : 200000km(s=1,5 hat.
Einer der ersten, der das Brechungsgesetz formuliert hat, war der Niederländer Willebrord van Roijen SNELL (SNELLIUS) (1580 - 1626):
sin(α1) : sin(α2)=n=c1 : c2  Brechungsgesetz von Snellius
Ein sehr interessanter Aspekt, der im Zusammenhang
mit dem Brechungsgesetz steht, wurde von dem
berühmten Mathematiker Pierre de FERMAT (1601 1665) formuliert. Sein Prinzip sagt - vereinfacht folgendes aus:
Geht ein Lichtstrahl vom Punkt A im Medium 1
(Lichtgeschwindigkeit c1) aus und soll zum Punkt B im
Medium 2 (Lichtgeschwindigkeit c2) gelangen, so ist der
Weg, den das Licht aufgrund des Brechungsgesetzes
nimmt, von allen denkbaren Wegen der, für den es die
kürzeste Zeit benötigt.
Dies nennt man das FERMATsche Prinzip oder
auch Minimalprinzip. Es kann auch auf andere
Phänomene wie bspw. die Reflexion von Licht
angewendet werden.
Stell dir eine Situation vor, in der ein Rettungsschwimmer eine Person retten muss. Der Rettungsschwimmer befindet sich am Land an der
Position A und die zu rettende Person an der Stelle B im Wasser. Die Entfernung des Rettungsschwimmer zum Meer ist 50m und der Abstand
der zu rettenden Person vom Strand ist . Außerdem ist der Abstand der beiden Personen parallel zur Grenze Meer-Strand gleich . Der
Rettungsschwimmer rennt am Land mit der Geschwindigkeit c1 und im Wasser schwimmt er mit der Geschwindigkeit c2 .
Anwendung zur Lichtbrechung
Auch transparente Flüssigkeiten brechen das Licht. Dabei kann der Brechungswinkel von verschiedenen Eigenschaften
der Flüssigkeit wie z.B. vom Alkoholgehalt (Bier), vom Zuckergehalt (Limonade), von der Dichte usw. abhängen.
Um festzustellen, ob eine in der Herstellung befindliche Limonade den richtigen Zuckergehalt hat, füllt man sie in das in
der Schnittzeichnung dargestellte grüne Hohlprisma. Im gelben Hohlprisma befindet sich die Referenz-Flüssigkeit
("Normlimonade"), welche bereits den gewünschten Zuckergehalt besitzt.
Gegenstände werden im
Wasser von der Luft aus
nicht richtig geortet:
Die Totalreflexion
Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichten in optisch dünnes Medium
Beim Übergang vom optisch dichten in ein optisch dünneres Medium kann ein besonderes Phänomen auftreten, die sog.
Totalreflexion. Erreicht der Einfallswinkel α1 eine bestimmte Größe αGr, so verläuft der gebrochene Strahl gerade parallel
zur Grenzfläche (Bild 3).Wird der Einfallswinkel α1 noch größer, so wird der Lichtstrahl vollständig reflektiert und kein Licht
dringt in das optisch dünnere Medium ein (Bild 4). Dieses Phänomen nennt man Totalreflexion.
Wasser
Luft
Wie groß der Grenzwinkel αGr ist, hängt
von den optischen Dichten der beiden
am Übergang
beteiligten Medien ab:
Anwendungen zur Totalreflexion:
Glasfasern werden z. B. zur Übertragung von Bildern (etwa in der
Medizin bei der Endoskopie) oder für die Übertragung von Daten bei
der Telekommunikation verwendet. Die dabei verwendeten Glasfasern
weisen einen Durchmesser von 0,005 mm bis ca. 1 mm auf, sind also
sehr dünn und bestehen im Wesentlichen aus einem Kern – meist aus
Quarzglas – mit großer optischer Dichte, der von einem Mantel aus
einer Glassorte mit kleinerem Brechungsindex umgeben ist.
In der Datenübertragung weisen Glasfaserkabel eine Reihe von
Vorteilen auf gegenüber der herkömmlichen Datenübertragung mit
Kupferkabeln, die als Trägerwellen Funkwellen mit einer Frequenz im
Megaherzbereich MHz verwenden: Sie sind flexibel, lassen sich also
leicht krümmen, ohne ihre auf der Totalreflexion des Lichts beruhende
Übertragungsfunktion zu verlieren. Dadurch lassen sich
Intensitätsverluste weitgehend reduzieren. Im Gegensatz zu
Funkwellen können beim Licht keine Störungen der Funktion durch
externe elektrische bzw. magnetische Felder auftreten.
Der Hauptvorteil der Glasfasertechnik im Vergleich zur
Funkwellentechnik besteht aber darin, dass mit Glasfasern weitaus
mehr Daten in gleicher Zeit übertragen werden können als mit
Funkwellen. Das liegt daran, dass Lichtwellen mit einer Frequenz im
100-Terraherzbereich ("zehn hoch 14" Hz) eine viel größere Frequenz
als die Funkwellen haben. Lichtwellen und Funkwellen sind die
Trägerwellen bei der Datenübertragung mit Glasfasern bzw.
Kupferleitungen. Die Datenübertragung erfolgt jeweils durch
Modulation der Trägerwellen. Wegen der höheren Frequenz der
Lichtwellen ist das zur Verfügung stehende Übertragungsband bei der
Verwendung von Glasfasern weitaus größer, was in gleicher Zeitspanne
die Übertragung einer sehr viel größeren Datenmenge ermöglicht.
Feldstecher oder Prismenfernglas
Die Vergrößerung, die man mit einem Fernrohr erzielen kann, hängt u. a. von der Länge des Fernrohrs ab, was man an der großen Baulänge
astronomischer Linsenfernrohre erkennen kann. Für Beobachtungen auf der Erde wären sie zu unhandlich und hätten darüber hinaus den
Nachteil, dass die Bilder umgekehrt und seitenverkehrt wären. Für Erdbeobachtungen verwendet man daher meist Prismenferngläser
(Feldstecher), bei denen der Lichtweg künstlich durch je zwei gekreuzte Prismen verlängert wird. Die Prismen sind so gestaltet, dass sie das
durch das Objektiv eintretende Licht jeweils zweimal total reflektieren.
Vorteile eines Prismenfernglases bei
Beobachtungen auf der Erde:
Handlichkeit aufgrund der kurzen
Baulänge
die Bilder sind aufrecht und seitenrichtig
große Bildhelligkeit aufgrund der
minimierten Intensitätsverluste bei den
Totalreflexionen in den Prismen
Luftspiegelungen  Fata Morgana
Fata Morgana
Der Name leitet sich von der italienischen Fee
Morgana ab, die der Volksglaube für die besonders
reizvollen Luftspiegelungen in der Straße von Messina
verantwortlich machte.
Luftspiegelungen auf der Erde sind auf Totalreflexionen an Luftschichten unterschiedlicher optischer Dichte zurückzuführen. Sie treten nur bei
bestimmten meteorologischen Bedingungen auf: In der Atmosphäre müssen auf kleinem Raum große Temperatur- und damit
Dichteunterschiede vorliegen. Daraus resultieren Unterschiede in der Brechzahl, sodass Schichten auftreten, die sich in ihrer optischen Dichte
unterscheiden. Außerdem dürfen keine ausgeprägten Luftbewegungen auftreten, eine Bedingung, die bei Hochdrucklagen meist erfüllt ist.
Zudem darf die Sicht nicht durch Dunst beeinträchtigt sein.
Der Regenbogen
Ein Regenbogen erscheint immer in der Himmelsrichtung, die der Sonne entgegengesetzt ist. Haben Sie
die Sonne also im Rücken, spannt sich der Regenbogen vor Ihnen über den Himmel.
Er kann nur unter folgenden Bedingungen entstehen:
Die Sonne wird nicht von Wolken, Bergen oder sonstigen Hindernissen verdeckt.
Sie steht recht tief am Himmel. Befinden Sie sich auf gleicher Höhe wie der Horizont, darf der
Höhenwinkel der Sonne 42° nicht überschreiten.
Die Luft ist in der, aus Ihrer Perspektive, entgegengesetzten Himmelsrichtung mit Wassertröpfchen gefüllt
– etwa wegen eines Regenschauers oder im Einzugsbereich eines Wasserfalls oder Rasensprenger...
Ein Regenbogen entsteht, wenn das Sonnenlicht von
Wassertröpfchen reflektiert, gestreut und gebrochen wird:
Weißes Licht von der Sonne
1. Brechung mit Totalreflexion Deswegen der Kreisbogen im Beobachtungswinkel von 42°!
2. Brechung
Beobachter sieht das Sonnenlicht in den
Spektralfarben zerlegt
Weißes Licht wird durch Brechung
in seine Spektralfarben zerlegt.
Je höher die Wellenlänge, desto
kleiner ist der Brechungswinkel!
Brechungen an optischen Linsen
Sammellinsen und Zerstreuungslinsen
Optische Linsen werden verwendet um Licht entweder zu bündeln oder zu zerstreuen. Man kann dadurch Gegenstände
optisch vergrößern oder verkleinern. Linsen, die Licht bündeln, nennt man Sammellinsen und Linsen, die Licht streuen,
nennt man Zerstreuungslinsen.
Eine (bikonvexe) Sammellinse bündelt aufgrund von
Lichtbrechung Licht im (rechten) Brennpunkt.
Linsen werden dazu verwendet, um Gegenstände
optisch zu vergrößern oder zu verkleinern. Die
wichtigste Größe einer Linse ist ihre Brennweite.
Als Symbol verwendet man üblicherweise f (f wie
'Fokus' oder 'focal length'). Die Brennweite ist der
Abstand von der Linsenachse zu einem der
Brennpunkte (links oder rechts von der Linse). Bildet
man einen Gegenstand durch eine Linse ab, so gibt
es zwei weitere Größen, die Gegenstandsweite g und
die Bildweite b, die von der Position des
Gegenstandes zur Linse und von der Brennweite
abhängig sind.
Eine (bikonkave) Zerstreuungslinse zerstreut aufgrund von
Lichtbrechung Licht. Dabei zeigen die Lichtstrahlen nach der Streuung
in jene Richtungen, als ob sie vom (linken) Brennpunkt kommen
würden.
Strahlenverläufe an optischen Linsen
Parallelstrahl wird als
Brennpunktstrahl
gebrochen
Mittelpunktstrahl bleibt
Brennpunktstrahl
wird als
Parallelstrahl
gebrochen
Die Vergrößerung einer Linse ist durch A=b/g gegeben.
Die Linsengleichung (bzw. auch Abbildungsgleichung genannt) gibt den Zusammenhang zwischen Brennweite f,
Gegenstandsweite g und Bildweite b einer Linse an.
1/b+1/g=1/f
Arten der Bilder an Sammellinsen
Bilder werden reelle Bilder genannt, wenn vom Ort des Bildes tatsächlich Lichtstrahlen ausgehen. Reelle Bilder können
mithilfe eines Schirms aufgefangen bzw. darauf abgebildet werden. Solche Bilder entstehen z.B. bei der Abbildung an
Sammellinsen, wenn g>f ist.
Gehen vom wahrgenommenen Ort eines Bildes in Realität keine Lichtstrahlen aus, so spricht man von einem virtuellen
Bild. Virtuelle Bilder können nicht mithilfe eines Schirms aufgefangen werden.
Gegenstand ist außerhalb der
Doppelten Brennweite  es
entsteht ein verkleinertes, umgekehrtes und reelles Bild
(Fotoapparat)
Gegenstand ist zwischen einfacher
und doppelter Brennweite es entsteht ein vergrößertes, umgekehrtes
und reelles Bild (Filmprojektor)
Gegenstand ist innerhalb der einfachen Brennweitees entsteht
ein vergrößertes, aufrechtes und
virtuelles Bild (Lupe)
Wellenoptik
Als Wellenoptik oder physikalische Optik bezeichnet man in der Physik den Teilbereich der Optik, der Licht als
elektromagnetische Welle behandelt. Mithilfe der Wellenoptik lassen sich Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit,
Beugung und Polarisation des Lichtes erklären, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind.
Elementarwellen-Prinzip von Huygens
Christiaan Huygens gilt als einer der Väter der
Wellenvorstellung vom Licht (Wellenoptik). In seinem
Modell der "Elementarwellen" breiten sich Lichtwellen
ähnlich wie Schallwellen in Luft aus. Auch können den
Lichtwellen entsprechende Eigenschaften wie Amplitude
oder Wellenlänge zugeordnet werden. In dem
Modell können anschaulich und mit wenigen Annahmen die
Erscheinungen Reflexion, Brechung und Beugung erklärt
werden.
Doppelspaltversuch von Young
Eine starke Stütze für die Wellenoptik waren die Interferenzversuche von
Thomas Young von denen der Doppelspalt-Versuch am bekanntesten ist und in
der Schule am meisten "strapaziert" wird. Tatsächlich wurde die Interferenz
schon von Grimaldi bei der Beugung an kleinen Objekten entdeckt. Auch
Young begann seine Experimente zunächst nicht mit dem Doppelspaltversuch.
Beim Doppelspaltversuch ließ Young das Sonnenlicht durch ein kleines Loch im
Fensterladen in das abgedunkelte Zimmer treten.
Der so entstandene Lichtkegel trifft auf zwei enge, parallel ausgerichtete
Spalte (Spaltbreite z.B. 0,10 mm) deren Spaltmitten den Abstand (z.B. 0,25
mm) besitzen. Hinter dem Doppelspalt konnte auf einem Schirm eine
Intensitätsverteilung des Lichtes festgestellt werden, wie sie qualitativ in dem
nebenstehenden Bild dargestellt ist.
Auswertung vom Young-Versuch (1802 durchgeführt)
Es wird ein Interferenzmuster beobachtet:
Für Maximum gilt: Δs = n∙λ ; nєZ
Für Minimum gilt Δs = (n - ½)∙λ; nєZ
Durch den Young-Versuch wurde nachgewiesen, dass Licht
Welleneigenschaften wie Beugung und Interferenz hat.
Herleitung für die Bedingungen der Maxima und Minima am Doppelspalt
Im rechtwinkligen Dreieck S1S2P gilt:
sin(α)=Δs/d(1)
Im rechtwinkligen Dreieck MOA gilt
tan(α)=a/e(2)
Da für kleine Winkelweiten α näherungsweise
sin(α)≈tan(α) gilt,
erhält man aus (1) und (2)
Δs/d=a/e⇔Δs=a⋅d/e
Für Maximum gilt: Δs = n∙λ ; nєZ
Für Minimum gilt Δs = (n - ½)∙λ; nєZ
Ein Doppelspalt mit dem Spaltmittenabstand d=4,91⋅10−4m wird von parallelem monochromatischem Licht beleuchtet.
Auf einem Schirm im Abstand e=2,00m zum Spalt ist das erste Nebenmaximum im Abstand a1= 1,70mm zum Hauptmaximum zu beobachten.
Berechne die Wellenlänge λ des Lichts.
Aus n⋅λ=an⋅d/e⇔λ=an /n⋅d/e
erhält man mit n=1 und den gegebenen Werten
λ = 1,70⋅10−3m/1⋅4,91⋅10−4m/2,00m = 4,17⋅10−7m=417⋅10−9m = 417nm
Aufgabe: Was wird auf
dem Schirm zu sehen
sein, wenn weißes
Licht durch den Doppelspalt geht?Erklärung!
 Damit sind Aussagen zur Wellenlänge von Licht
möglich, die man nicht sehen kann!
So kann man die Wellenlängen von den Lichtfarben
bestimmen!
Bei welchem Maxima überlagert
sich blau mit rot des vorherigen
Maxima?
Das Michelson-Experiment
•Sollte den Nachweis für die Theorie eines „Lichtäthers“ sein
•Konnte diesen Nachweis aber nicht erbringen
•Schuf aber eine Messapperatur, um kleinste Längen zu messen das Interferometer
Originalnachbau des Experimentes
am Originalschauplatz Telegrafenberg
Potsdam 1881
Ein Lichtstrahl bewegt sich von einer Lichtquelle zu einem Strahlteiler (halbdurchlässiger Spiegel). Von hier wird ein Teil des Strahls nach unten
reflektiert (rot) und ein Teil durchquert den Strahlteiler nach rechts (blau). Jeder der beiden Strahlen trifft dann auf einen Spiegel und kehrt
zum Strahlteiler zurück. Von hier aus bewegt sich je ein Teil beider Strahlen nach oben (die beiden anderen Strahlteile, die sich wieder in
Richtung der Lichtquelle zurückbewegen, sind für das Experiment unwichtig).
Am oberen Ende des Aufbaus werden die beiden Strahlen auf einem Schirm aufgefangen, wo sie interferieren können. Wenn das Licht für
den roten Weg genauso lang braucht, wie für den blauen, dann treffen die Strahlen einander genau in Phase und verstärken einander
(konstruktive Interferenz). Ansonsten tritt - je nach Gangunterschied der Strahlen - konstruktive oder destruktive Interferenz auf.
Durch Bewegen eines der Spiegel (also Veränderung der Länge l oder L) kann das Interferenzmuster verändert werden, z.B. so, dass auf dem
Schirm destruktive Interferenz auftritt und kein Licht sichtbar ist.
Licht als Welle
Wellenarten:
Licht kann gebeugt werden und sich überlagern (interferieren). Das sind typische Welleneigenschaften. Aus ihrem
Auftreten bei Licht kann man folgern:
Licht hat Welleneigenschaften . Es kann mit dem Modell Lichtwelle beschrieben werden.
Von seinem physikalischen Charakter her ist Licht eine elektromagnetische Welle. Das bedeutet: Es ändert sich die
Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes zeitlich periodisch. Da diese Änderungen (Schwingungen) der
Feldstärke senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgen, sind Lichtwellen Transversalwellen (Querwellen). In seiner
Ausbreitung ist das Licht zirkumpolarisiert. Dadurch kann es polarisiert werden:
Polarisationsfilter
Entstehung von Licht  Siehe Vorlesung Quantenphysik
Licht entsteht in der Atomhülle, wenn dort Elektronen von einem energetisch höheren Niveau zu einem energetisch niedrigeren Niveau springen. Dabei wird der Energieunterschied als Lichtquant E = h∙f (Photon) abgegeben.
Sind alle Energiesprünge mit der selben Energie verbunden (gleiche Energieniveaus),
so ist das Licht einfarbig mit seiner eigenen Frequenz aus E = hf.
Erfolgen die Energiesprünge von unterschiedlichen Niveaus zu unterschiedlichen
anderen Niveaus, so entsteht mehrfarbiges oder weißes Licht.
Dieses Licht kann durch Brechung oder Beugung
in seine Bestandteile zerlegt werden
Arten der Lichtspektren
Ein Körper bzw. ein Gas sendet Licht nur durch
diskrete Energiesprünge aus  Linienspektrum
oder Emissionsspektrum
Absorbtionsspektrumdas Gas oder der Stoff
hält nur die Lichtfrequenzen zurück, mit denen
er selber leuchten würde
Sonnenspektrumdie schwarzen Linien sind an der Stelle, an
denen das Gas leuchten würde zB. Helium-Linien oder Wasserstoff-Linien
Wasserstoff
Helium
Quecksilber
Uran
Kontinuierliches Spektrumalle Frequenzen sind darin
enthalten:
Der Sehvorgang
Farbe existiert in der Natur eigentlich gar nicht, sie wird erst durch unsere Sinnesorgane oder genauer durch das Gehirn
als Farbeindruck erzeugt. Das Licht wird auf der Netzhaut des Auges als Farbreiz wahrgenommen und im Gehirn zu
einer Farbempfindung (bzw. Farbeindruck) verarbeitet. Über ein Linsensystem mit Blendenregelung (Pupille) fällt das
Licht in das Auge und gelangt auf eine Schicht von Sinneszellen, die sich auf der Netzhaut befinden. Das Zentrum des
schärfsten Sehens heißt Gelber Fleck. Am blinden Fleck befinden sich keine Sehsinneszellen (Ausgang des Sehnervs
zum Gehirn).
Die Netzhaut
Der eigentliche "Sehprozess" findet dann auf der Netzhaut (Retina) statt. Die Retina besteht aus einer Reihe von
unterschiedlichen Zelltypen, die sehr unterschiedliche Aufgaben haben. Zunächst wichtig sind die sogenannten
Sinneszellen. Sie verwandeln das Licht in einen elektrischen Impuls Es gibt zwei Typen von Sehzellen:
die Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen, bei Dämmerlicht oder Dunkelheit aktiv)
die Zapfen (verantwortlich für das Farben-Sehen)
Stäbchen
Zäpfchen
Für das Farbensehen sind drei verschieden Zapfen-Zellen erforderlich:
Zapfen für Rot-Sehen (ca. 46 % aller Zapfen)
Zapfen für Grün-Sehen (ca. 46 % aller Zapfen)
Zapfen für Blau-Sehen (ca. 8 % aller Zapfen)
Die drei Zapfentypen reagieren jeweils auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Trifft also ein Photon mit einer
Wellenlänge im Rotbereich auf ein Rot-Zapfen, dann "feuert" er einen Impuls an die folgenden Zellen. Die anderen
beiden Zapfentypen bleiben bei einem "Rot-Photon" inaktiv (zumindest statistisch gesehen). Sie reagieren
entsprechend, wenn Photonen mit ihrer spezifischen Wellenlänge eintreffen.
Farbiges Sehen
Farbmischung
Werden die drei Farbzäpfchen
gleichzeitig etwa gleich stark
angeregt, so komponiert das
Gehirn aus dieser Summe von
Farben die Farbe Weiß. Sind
nur zwei der drei Zäpfchen
angeregt, so komponiert unser
Gehirn daraus die Farben Gelb,
Violett bzw. Grünblau. Je nach
Intensität der Anregung der
einzelnen Farbzäpfchen
komponiert unser Gehirn eine
ganze Fülle von verschiedenen
Farben.Farbe entsteht im
Gehirn!
Fällt Licht mit der Wellenlänge 520 nm in unser Auge, werden die Zäpfen für den Rotbereich zu 75% angeregt, die
Zäpfen für den Grünbereich zu 95% und die Zäpfchen für Blaubereich nur zu 5%. Dieses Verhältnis löst in unserem
Gehirn die Farbempfindung eines satten Grüns aus.
Einige Tiere, wie zum Beispiel einige Insekten oder Fische, besitzen sogar vier Arten von Zäpfen (Tetrachromat). Sie
können „Farben“ im für uns Menschen unsichtbaren UV-Bereich sehen.
Andere „Säugertiere“ müssen völlig ohne Farben auskommen: Sie sehen nur schwarz-weiß, Katzen ebenso wie ihre
Beutetiere, die Ratten und Mäuse.
Rot entsteht im Gehirn und nicht auf der Tomate
Die Tomate erscheint rot, sobald sie von Licht
getroffen wird. Erst unsere Augen und vor allem
das Gehirn erzeugen aus den Informationen, die
dann von der Tomate ausgehen, einen
Farbeindruck. Die Oberfläche der Tomate
"verschluckt", bzw. absorbiert alle Farbanteile des
Lichts außer dem roten, dieser wird reflektiert.
Sehstörungen-eine Auswahl
Als "Rot-Grün-Schwäche" bezeichnet man eine vererbte Schwäche des Auges. Die Betroffenen können die Farben Rot
und Grün nicht so gut unterscheiden wie die Mehrheit der Bevölkerung. Es gibt zahlreiche Abstufungen einer Rot-GrünSchwäche. Nur wenn man beide Farben gar nicht wahrnehmen kann, spricht man von einer "Rot-Grün-Blindheit"
("Daltonismus", nach dem Entdecker John Dalton), die jedoch nur sehr selten auftritt.
Ursache für eine Rot-Grün-Farbschwäche ist ein "genetischer Defekt". Eine Rot-Grün-Schwäche ist somit angeboren. Die
Sequenzen für das Farbensehen (Rot und Grün) liegen auf dem X-Chromosom. Wenn durch Cross-Over eines diese Gene
defekt ist, springt im Prinzip das auf dem komplementären Chromosomen-Paar ein. Allerdings fehlt bei Männern dieses
zweite X-Chromosom (stattdessen Y-Chromosom). Daher sind statistisch gesehen fast nur Männer von einer Rot-GrünSchwäche betroffen. In Deutschland sind es ca. 5% der Männer, nach anderen Quellen sogar 9%.
Welche Zahl sehen Sie auf dem linken und welche auf dem rechten Bild?
Farbmischungen
Additive Farbmischung
Bei der additiven Farbmischung
werden die Primärfarben des
Lichts Rot, Grün und Dunkelblau
auf einer Stelle gesammelt und
übereinander gelagert. Dabei
entsteht wieder weißes Licht.
Addiert man nur die rote und
grüne Strahlung, erhält man Gelb.
Das geschieht auch bei der
Reizung der Zapfen im Auge bei
gleichzeitiger Strahlung von rotem
und grünem Licht – man sieht
Gelb.
Jede der drei Grundfarben kann von unterschiedlicher
Tönung, also Intensität sein. Je nach Zahl der dabei
verwendeten Abstufungen können so alle nur erdenklichen
Mischfarben, also Farbtöne erzeugt werden. Wenn keine
Farbe strahlt, ist es auf der Projektionsfläche schwarz.
Addition ist hierfür insofern zutreffend, als sich die
Lichtquellen gewissermaßen addieren – genau genommen
werden die Wellenlängen der drei Grundfarben addiert
(übereinander gelagert). Werden die Grund- und
Mischfarben kreisförmig angeordnet, erhält man einen
Farbkreis:
An diesem Farbkreis kann man die Gesetze der additiven Farbmischung demonstrieren:
Alle Farben des Farbkreises lassen sich durch Mischen der drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau erzeugen.
Durch Mischen aller drei Grundfarben mit gleicher Intensität wird Weiß erzeugt.
Jede Farbe des Farbkreises lässt sich durch Mischen der beiden benachbarten Farben
erzeugen.
Gegenüberliegende Farben des Farbkreises ergeben beim Mischen Weiß
(Komplementärfarben).
Die subtraktive Farbmischung
Die subtraktive Farbmischung lässt sich an bemalten Flächen
erkennen. Die Pigmentfarben (Malfarben) absorbieren
(= subtrahieren) vom einfallenden Licht alle Farbanteile,
außer die, in deren Farbe man sie sieht. Das restliche Licht
bildet eine Mischfarbe.
Die Sekundärfarben des Lichts sind die Primärfarben der
Pigmentfarben in der Malerei, da man durch die subtraktive
Mischung der Farben Gelb, Magenta und Zyan alle anderen
Farben des Farbkreises erhält.
Primärfarbe
Sekundärfarbe
Gelb
+
Magenta
=
Orange
Zyan
+
Gelb
=
Grün
Zyan
+
Magenta
=
Violett
Die subtraktive Farbmischung wird sowohl in der Druckerei (Vierfarbendruck) als auch bei Druckern in Wirtschaft und
Haushalt angewandt. Spezielle, dafür entwickelte Tinten und Toner übertragen die Farbpigmente im jeweiligen
Mischungsverhältnis Punkt für Punkt aufs Papier.
In der Praxis klappt das aber nicht ganz so reibungslos. Große Schwierigkeiten bereitet zum Beispiel die Herstellung
der transparenten Farben. Sie müssen schließlich übereinander liegen, aber noch ohne Verlust voll durchscheinen. Ein
anderes Problem sind die unvermeidbaren Verunreinigungen, die schon in kleinsten Mengen das Druckergebnis
verfälschen. So ergeben die Grundfarben auch bei höchster Intensität nicht das erwartete tiefe Schwarz. Zur
Angleichung an unsere Farberfahrungen
und -erwartungen wird deshalb zusätzlich zur Abtönung die Schlüsselfarbe (key engl. = Schlüssel) Schwarz zugesetzt.
Die additiven und subtraktiven Farben
In der additiven Farbmischung wird Licht gemischt. Rotes Licht und grünes Licht ergeben
gelbes Licht, der Fernseher liefert uns den Beweis. In der subtraktiven Farbmischung
werden Stoffe gemischt. Gelbe Farbpaste und zyanfarbene Farbpaste ergeben als
Mischung grüne Farbpaste
Die Farbtemperatur
Die Aussage, Licht sei weiß, ist eine unpassende Bezeichnung. Denn reines Weiß besteht nach dem RGB-Prinzip aus
den Farben Rot, Blau und Grün. Treffender ist die Unterscheidung nach der Farbtemperatur. Denn mit der
Farbtemperatur bezeichnet man den Farbeindruck, die eine Lichtquelle hat.
Die meisten Lichtquellen sind Temperaturstrahler. Erhitzt man einen Körper (z. B. ein Stück Stahl), wird er irgendwann
beginnen, rot zu glühen. Erhitzt man weiter, glüht er gelb, dann weiss, und schliesslich blau. Er sendet stets ein
kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen aus, dessen Maximum sich mit steigender Temperatur zu
kürzeren Wellenlängen (von Rot nach Blau) verschiebt.
Die spektrale Zusammensetzung des Lichts, den ein (idealisierter) schwarzer Körper bei einer bestimmten Temperatur
aussendet, charakterisiert man mit der Farbtemperatur.
Mittleres Tageslicht entspricht rund 5000 K (K=Kelvin, die Temperatur in Kelvin entspricht der in °C + 273), da die Sonne
auch ein Temperaturstrahler ist. Geringere Farbtemperaturen, also gelbliches bis rötliches Licht, werden durch
Halogenlampen, normale Lampen und Flammen erzeugt. Höhere Farbtemperaturen, also bläuliches Licht, ergeben sich
in praller Mittagssonne im Schatten (Beleuchtung durch den blauen Himmel) und nach Sonnenuntergang, vor allem,
wenn Schnee liegt.
Das Auge gleicht diese Farbstiche aus, bei Video- und Digitalkameras ist dafür ein Weißabgleich zuständig.
Kunstlicht
Leuchtstoffröhren
Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf zur Emission von Ultraviolettstrahlung und
zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der
Leuchtstoffbeschichtung in sichtbares Licht umgewandelt. Fluoreszenz
Fluoreszenz ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Ende der
Bestrahlung rasch (meist innerhalb einer Millionstel Sekunde) endet. Bei der
Phosphoreszenz hingegen kommt es zu einem Nachleuchten, das von
Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann.
Leuchtstoffe emittieren allerdings kein kontinuierliches Spektrum.
Durch geeignete Mischung gelingt es, warmes oder kaltweißes Licht zu erzeugen. Wie gut das Licht ist, hängt stark von
der Qualität der Leuchtstoffröhre ab.
Seit einiger Zeit ist es möglich, preiswerte weiße
LEDs herzustellen. Es handelt sich um sehr helle
blaue LEDs, bei denen der Chip in ein
fluoreszierendes Material eingebettet wird,
welches einen Teil des blauen Lichts in
längerwelliges Licht umwandelt, sodass sich ein
weisser Farbeindruck ergibt.
Zum
Vergleich:
Bildschirme
Der LCD Bildschirm
Liquid Cristal Display
Rot + Grün = Gelb
Drei nebeneinander liegende Zellen, von denen eine einen
Blau-, die zweite einen Rot- und die dritte einen Grünfilter
hat, bilden ein Pixel. Jede Zelle ( also 1/3Pixel) besteht aus
zwei Polarisationsfiltern (vorne und hinten) mit einer durch
eine elektrische Spannung beinflussbare Flüssigkeitszelle
dazwischen. Beeinflusst wird der „Verdrehwinkel“ der
Polarisation.
Ist der Verdrehwinkel 0° sperrt der um 90° verdreht
installierte Polarisationsfilter vorn das Licht (blau). Ist der
Verdrehwinkel des Flüssigkeitspolarisationsfilters hingegen
90°, kommt alles Licht durch (rot und grün). Jeder Winkel
dazwischen lässt nur einen Teil der gesamten anstehenden
Lichtenergie an jeder Zelle durch.
Die in Stufen (16 oder 256) dosierbaren Spannungen an
jeder Flüssigkeitszelle ermöglichen es, den über den so
gestuften Verdrehwinkel des polarisierten Lichts
entstehenden Gesamtfarbeindruck jeder Zelle und damit
eines jeden Pixels digital anzusteuern.
Der Plasma-Bildschirm
Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Bildpixels bestehend aus
den drei Plasmazellen für die Grundfarben:
Die Zeilen- und Spaltenelektroden verlaufen rechtwinklig zueinander. Mit
einem Impuls auf der Datenelektrode wird das Gasgemisch der adressierten
Zelle zum Plasma gezündet. Die Zelle sendet Licht aus, wie es unten für die
Blau-Kammer skizziert ist. Ein gegenpoliger Impuls löscht die Zelle.
Vorteile der Plasmabildschirmtechnologie
Die Displays sind flach und lassen sich wie ein Bild aufhängen.
Es sind hohe Auflösungen bis HDTV möglich.
Bilddiagonalen von 1,5 m wurden gebaut, während das Maximum einer CRT
bei 1 m liegt.
Zellen leuchten selbergroßer Betrachtungswinkel
Schwarz wird als schwarz dargestellt
Hoher Kontrast
Nachteile der Plasmabildschirmtechnologie
Der Stromverbrauch ist für einen mobilen Einsatz mit rund 200 Watt zu hoch.
Die notwendigen Lüftergeräusche sind oft störend.
Die Produktionskosten sind sehr hoch.