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 Brennweitees 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 Absorbtionsspektrumdas Gas oder der Stoff hält nur die Lichtfrequenzen zurück, mit denen er selber leuchten würde Sonnenspektrumdie schwarzen Linien sind an der Stelle, an denen das Gas leuchten würde zB. Helium-Linien oder Wasserstoff-Linien Wasserstoff Helium Quecksilber Uran Kontinuierliches Spektrumalle 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 selbergroßer 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.