5 Physik der Farbe

VO Farbe Kap.05, Vs.15
5 Physik der Farbe
Sichtbares Licht ist elektromagnetische
Strahlung im Bereich von ca. 380 bis 780 nm
Wellenlänge λ, dies entspricht Frequenzen f
zwischen 780 und 380 THz (f·λ = c). Die
Grenzen dieser Bereiche sind von Mensch zu
Mensch etwas unterschiedlich. Elektromagnetische Strahlung anderer Frequenzen (bzw.
Wellenlängen) kennen wir als AM und FM
Radiostrahlen, Mikrowellen, Infrarotstrahlen (IR), Ultraviolettstrahlen (UV), Röntgenstrahlen, Gammastrahlen,
usw. (siehe Abbildung). Elektromagnetische Strahlung trägt umso mehr Energie, je kurzwelliger sie ist. Diese
Energie pro Photon wird in eV (Elektronenvolt) gemessen und berechnet sich so: E=h·f, wobei h das Plancksche
Wirkungsquantum ist (das ist ein konstanter Wert von 4,135667516·10-15 eVs) und f die Frequenz (also
Schwingungen pro Sekunde).
Ein Lichtstrahl umfasst typischerweise viele Frequenzen. Die dazugehörige Verteilung der Wellenlängen-Intensitäten wird als (Licht-)Spektrum bezeichnet, es beschreibt die Intensität aller Wellenlängen eines
Strahls bzw. einer Lichtquelle. Die Abbildung links zeigt mögliche
Spektren für blaues und rotes Licht.
Lichtwellen pflanzen sich (als Photonen) gemäß den Gesetzen der
geometrischen Optik (Strahlenoptik) fort. Ein Photon ist die elementare
Anregung des quantisierten elektromagnetischen Feldes, mit anderen
Worten: jede elektromagnetische
Strahlung ist in Photonen quantisiert. Bestimmte Eigenschaften lassen sich nur
beschreiben, wenn man deren Wellennatur berücksichtigt. Dieser WellenTeilchen-Dualismus ist nicht einfach zu verstehen. Sogar Albert Einstein schrieb
1951: „Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der
Frage ‚Was sind Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder
Lump, er wisse es, aber er täuscht sich...“.
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Wellen:
Longitudinal-Wellen (z.B. Schall in Luft bzw. Wasser) schwingen parallel zur
Ausbreitungsrichtung und benötigen ein Material in dem sie sich fortpflanzen.
Transversal-Wellen (z.B. Licht, Wasserwellen) schwingen senkrecht zu ihrer
Ausbreitungsrichtung (fortbewegende Richtung). Licht ist also eine Transversalwelle, ihre Frequenz alleine beschreibt sie nicht zur Gänze: es gibt auch noch die
zeitliche Kohärenz (wie monochrom ist Licht?), die räumliche Konvergenz (wie
gering ist die Phasenverschiebung?) und die Polarisation.
Polarisation
Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung des Lichtes. Wenn die Polarisation aller Lichtwellen gleich ist,
spricht man von polarisiertem Licht.
Beispiele: Sonnenlicht, wird durch die Atmosphäre unterschiedlich stark polarisiert, je nach Wetter und
Einfallswinkel. Viele Oberflächen (z.B. Blätter) reflektieren nur das Licht mit einer bestimmten
Polarisationsrichtung und produzieren derart polarisiertes Licht. Polarisierte Sonnenbrillen filtern manche
Polarisations-Richtungen heraus.
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Wellen schwingen in zwei Dimensionen, daher hat auch
Polarisation zwei unabhängige Richtungen. Je nach Stärke
und Phasenverschiebung dieser beiden Richtungen erhält
man unterschiedliche Polarisations-Effekte:
lineare – zirkulare – elliptische Polarisation
Mit polarisierten Bildern lassen sich 3D-Projektionen herstellen. Jedes zweite Bild der Bildfolge wird vertikal polarisiert, während die anderen Bilder horizontal polarisiert
abgebildet werden. Der Betrachter trägt eine Brille, dessen eines Glas nur horizontal polarisiertes Licht durchlässt,
das andere nur vertikal polarisiertes Licht. So kann man jedem Auge ein anderes Bild präsentieren, womit ein 3DEffekt erzeugt werden kann. Bessere Systeme verwenden zirkulierend-polarisiertes Licht, wobei ein Auge mit
rechts-zirkulierender Polarisation bedient wird, das andere mit links-zirkulierender Polarisation.
Laser (Light Amplification by Stimulation of Emitted Radiation)
Ein Laser ist eine gerichtete Lichtquelle mit extrem kohärenter, monochromatischer Strahlungsenergie, die beinahe
völlige Parallelität besitzt. Beim Entstehungsprozess von Laser, der stimulierten Emission, regt ein bereits
erzeugtes Photon ein Atom dazu an, ein weiteres Photon abzugeben, das dieselben Eigenschaften besitzt. Dieser
Prozess wiederholt sich sehr oft, womit sich ein monochromatischer Lichtstrahl erzeugen lässt, dessen Wellen nicht
nur vollkommen parallel, also in die gleiche Richtung gehend, sind, sondern die auch phasengleich (aber nicht
polarisiert) ausgestrahlt werden, wodurch das Licht sehr große Strecken zurücklegen kann, ohne zerstreut zu
werden.
Die Eigenschaften von Laser werden in vielen Bereichen genutzt, wie z.B. der Wissenschaft, Technik, Militär,
Medizin und dem alltäglichen Leben. Laser finden ihre Hauptverwendung in der Farbwissenschaft im Bereich der
Spektroradiometrie, wo sie als monochromatische Quellen dienen, oder als Werkzeug zum Ausrichten von
optischen Komponenten. Laser decken das gesamte sichtbare Spektrum und darüber hinaus (IR - UV) ab.
Ursachen für farbiges Licht
Bei Lichtquellen bewirkt die Art der Erzeugung des Lichtes ein
bestimmtes Spektrum, das für die Farbe dieses Lichtes
verantwortlich ist. In allen anderen Fällen wird die Farbe zumindest
teilweise durch Interaktion mit den Objekten verändert und erzeugt
somit die wahrgenommene Farbe der Objekte. Das sind
hauptsächlich diffuse und spiegelnde Reflexion, Absorption und
Streuung.
Energie elektromagnetischer Strahlung
Der Energielevel E eines Photons ist verkehrt proportional zur
Wellenlänge λ: E = const/λ bzw. E*λ = const. Strahlung mit höherer Energie (also kurzwelligere = höherfrequente
Strahlung; UV, Röntgenstrahlen etc.) enthält so viel Energie dass sie Biomoleküle zerstören kann. Strahlung mit
niedrigerer Energie (also langwelligere = niedrigerfrequente Strahlung; IR, Wärme, Radiowellen etc.) ist zu
langwellig um brauchbar fokussiert zu werden. Unser Auge ist also auf die kurzwelligsten Strahlen sensitiv, die
unser Gewebe nicht zerstören.
Ausflug in die Quantenmechanik
Jedes Atom und Molekül hat einen stabilen Grundzustand. Durch Zufuhr von Energie (z.B.
Hitze, Strom, Licht) können Elektronen höhere Energieniveaus annehmen, was dazu führt,
dass sie in eine höhere Elektronenbahn überwechseln. Diesen Zustand nennt man
angeregter Zustand. Die meisten angeregten Zustände sind sehr instabil und streben sehr
rasch in einen stabileren Zustand zurück, wobei die für den angeregten Zustand notwendige
Energie wieder abgegeben wird. Da jedes Atom oder Molekül aber nur ganz bestimmte
diskrete Energiezustände annehmen kann, ist für jeden Wechsel des Energieniveaus eine
genau definierte Energiemenge notwendig. Vor allem hat die abgegebene Energie beim
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Zurückwechseln von einem höheren in ein stabileres Energieniveau (elektromagnetische Strahlung) immer einen
materialspezifischen Wert. Wenn diese Strahlung im sichtbaren Bereich liegt, entsteht so Licht. Umgekehrt wird
Licht, das genau so viel Energie hat, wie für eine Anregung notwendig ist, absorbiert.
Die Abbildung rechts zeigt mögliche Quantensprünge bei einem Molekül mit
drei möglichen angeregten Zuständen. Durch Energiezufuhr (A) wird es in
den angeregten Zustand III übergeführt, von wo es entweder durch Abgabe
der gleichen Energiemenge (E) sofort wieder in den Grundzustand zurückfällt, oder schrittweise drei Photonen abgibt, zuerst (B) in den Zustand II,
dann (C) in den Zustand I, und schließlich (D) in den Grundzustand. Die drei
Energiemengen (B), (C) und (D) erzeugen dann drei verschieden energiereiche Photonen, also drei verschiedene Wellenlängen von Licht. Zusammen
mit dem Sprung E hat das dieses Molekül also ein Spektrum mit 4
charakteristischen Linien.
Licht und Biologie
Die chemische Bindungsenergie der meisten stabilen Moleküle beträgt mindestens 3 eV. Strahlung mit weniger
Energie, also Photonen mit weniger als 3 eV, können folglich die meisten Moleküle nicht zerstören. Photonen mit
mehr Energie können dagegen in vielen Molekülen einzelne Elektronen herausschlagen, und das Molekül damit
verändern und damit auch chemische Reaktionen triggern, im Falle organischer Moleküle diese auch schädigen.
750 nm entspricht 1,65 eV, 380 nm entspricht 3,26 eV. Das Auge kann also die energiereichste elektromagnetische
Strahlung wahrnehmen, die unser Gewebe gerade noch nicht schädigt. Energiereichere Strahlung wird (zum
Glück!) von der Atmosphäre so weitgehend absorbiert, dass auch nur ganz wenig vorhanden ist, und dadurch
Lebewesen überhaupt existieren können. Umgekehrt müssen die Pigmente im Auge auf die Lichtstrahlung
chemisch reagieren, und das geht nur, wenn dazu genug Energie eintrifft. Rhodopsin und die Lodopsine sind also
Moleküle mit geringstmöglicher Bindungsenergie. Daher können Augen (aller Tiere!) auch unmöglich „Licht“
sehen, das langwelliger als 780 nm ist (im Gegensatz zu kurzwelligerer Strahlung als 380 nm).
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