Farben
Physik Referat, Farben"
Farbe
Farbe ist ein physikalisches Phänomen des Lichtes, das mit verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums in einem engen Zusammenhang steht. Die Wahrnehmung von Farben beim Menschen und vielen Tieren ist ein äußerst komplexer neurophysiologischer Vorgang. Farben lassen sich im Prinzip als Mischungen aus drei Primär- oder Grundfarben auffassen. Sie dienen in vielen naturwissenschaftlichen und technischen Analysemethoden als Untersuchungsgrundlage. In der Kolorimetrie bestimmt man z. B.
die Konzentrationen von Probenlösungen mit Hilfe von Farbvergleichen. Dabei wird die Farbintensität der jeweiligen Probe ermittelt und mit der Farbintensität einer Lösung (Standartlösung) verglichen, deren Konzentration bekannt ist. Je ähnlicher die Farbintensität der bekannten Lösung mit der Intensität der Probe übereinstimmt, desto genauer wird die Konzentrationsbestimmung. Üblicherweise wird in der Kolorimetrie eine ganze Reihe von Standartlösungen vor der Vermessung der Probe hergestellt.
Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen zwischen 350 und 750 Milliardstelmeter (ein Milliardstelmeter ist ein Nanometer; abgekürzt: nm). Wenn alle Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs mit ähnlichen Intensitäten auftreten, so erscheint das Licht weiß, wobei die Helligkeit von der gesamten Intensität abhängt.
Jeder Wellenlänge entspricht ein ganz bestimmter Farbton, den das menschliche Auge wahrnimmt. Licht mit einer Wellenlänge von 750 Nanometern erscheint rot, violett beginnt bei 350 Nanometern. Dazwischen liegen vom Violetten zum Roten fortschreitend die Wellenlängen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht. Im Gegensatz zu den bunten Farben wie beispielsweise Rot, Blau und Gelb fehlt bei den so genannten unbunten Farben Weiß, Schwarz und Grau der Farbton.
Entspricht das Licht nur einem sehr engen Spektralbereich, d. h.
fast nur einer einzigen Wellenlänge, dann liegt eine reine Spektralfarbe vor. Solche Farben kommen in der Natur sehr selten vor. Ein Beispiel für ihre künstliche Erzeugung ist das gelbe Licht von Natriumdampflampen. Die meisten Farben umfassen also mehrere Wellenlängen bzw. verschiedene Teilbereiche des sichtbaren Spektrums. Die wahrgenommene Farbe hängt vom Intensitätsverhältnis der auftretenden elektromagnetischen Wellen ab.
Die Helligkeit wird durch die Gesamtintensität bestimmt.
Primärfarben
Das menschliche Auge kann das ankommende Licht nicht in seine spektralen Komponenten zerlegen. Daher kann dieselbe Farbempfindung durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse verschiedner Farben, also durch verschiedene physikalische Reize entstehen. Beispielsweise enthält eine Mischung aus rotem und grünem Licht keinerlei Wellen mit der Wellenlänge des rein gelben Lichtes. Dennoch kann es dem menschlichen Auge bei geeignetem Intensitätsverhältnis der Wellen als ebenso gelb erscheinen wie eine reine Spektralfarbe der Natriumdampflampe.
Jede beliebige Farbempfindung kann durch Mischen entsprechender Anteile von rotem, blauem und grünem Licht hervorgerufen werden (so genannte additive Farbmischung).
Diese drei Farben bezeichnet man als additive Primärfarben, die in etwa gleicher Farbintensität zusammen weißes Licht ergeben. Bestimmte Paare reiner Spektralfarben nennt man Komplementärfarben. Wenn diese additiv gemischt werden, lässt sich ebenfalls die Farbe Weiß erhalten. Beispiele Komplementärfarben sind die Paare Gelb und Blau sowie Rot und Grün.
Die meisten für das Auge wahrnehmbaren Farben entstehen dadurch, dass der betreffende Gegenstand vom weißem Licht einen Teil (also bestimmte Wellenlängenbereiche) absorbiert und nur den Rest reflektiert oder durchlässt. Die sichtbare Farbe resultiert aus dem Mischungsverhältnis der reflektieren oder durchgelassenen Wellenlängen.
Man spricht dabei auch von subtraktiver Farbmischung.
Die auch beim Farbdruck oder in Tintendruckern verwendeten, genormten drei subtraktiven Primärfarben sind Magenta (Purpurrot), das Grün absorbiert, dann Gelb, das Blau absorbiert, sowie Cyan (Blau), das Gelb absorbiert. Wenn z. B. grünes Licht auf eine rote Fläche fällt, so wird praktisch kein Licht reflektiert. Die Fläche erscheint dunkel bis schwarz.
Mit geeigneten Mischungsverhältnissen der subtraktiven Primärfarben kann man praktisch jeden gewünschten Farbton erzeugen. Alle drei Primärfarben in gleichen Anteilen ergeben zusammen eine sehr dunkle, aber nicht völlig schwarze Fläche. Daher druckt man mit Schwarz als vierter Farbe. Subtraktive Primärfarben werden auch in der Photographie verwendet: So befinden sich in Farbfilmen Farbstoffe mit den Farbtönen Magenta, Cyan und Gelb. Durch Belichten und anschließendes Entwickeln werden diese Farbstoffe zu einem gewissen Teil entfernt. Dadurch bleibt an jeder Stelle des Bildes mengenmäßig derjenige Farbanteil zurück, der dem jeweiligen Farbton entspricht.
Mit welchem Farbton ein Gegensatz für das Auge sichtbar wird, hängt aber nicht allein vom jeweiligen Anteil der Farbstoffe auf seiner Oberfläche ab, sondern auch von der Lichtquelle, mit der er beleuchtet wird. So hat das Licht einer Glühlampe einen wesentlich höheren Anteil an langwelligem roten Licht als das Sonnenlicht. Deswegen hat das von einem Gegenstand im Lampenlicht reflektierte Licht eine andere Zusammensetzung als im Sonnenlicht. Diese Farbunterschiede sind meist nicht wahrnehmbar, weil das Auge sich an das jeweilige Licht gewöhnt und es als Weiß interpretiert. Dadurch erscheint der Gegenstand stets in einer sozusagen richtigen Farbe. Dieses Phänomen beruht auf der gemeinsamen Leistung von Auge und Gehirn.
Der amerikanische Physiker Edwin Herbert Land, der die Sofortbild-Photografie erfand (Polaroid-System), wies als erster auf die enorme Leistungsfähigkeit des Auge-Gehirn-Systems hin. Er konnte zeigen, dass die Sinnesreize der Zapfen in der Netzhaut des Auges nur einen Teil der Farbenwahrnehmung bewirken und dass das Wahrnehmen der Formen und Farben hauptsächlich im Gehirn erfolgt.
Auge und Gehirn vermögen auch Farben anhand geringer Informationen zu rekonstruieren. Um das zu zeigen, fotografierte Land dasselbe Objekt mit zwei Schwarzweißfilmen, einmal bei roter und einmal bei grüner Beleuchtung. Bei der Projektion der Dias, eines mit roter und eines mit grüner Projektionslampe, auf eine und dieselbe Leinwand erschien ein komplett farbiges Bild. Den gleichen Effekt beobachtete Land, wenn eines der Dias mit einer weißen Lampe projiziert wurde.
Nach Vertauschen der Lampen in den Projektoren entstand auf der Leinwand ein Bild in den Komplementärfarben.
Absorption
Der genaue Mechanismus der Lichtabsorption durch farbige Substanzen ist teilweise sehr komplex. Er hängt im Wesentlichen mit dem molekularen Aufbau der Stoffe zusammen. Bei organischen Verbindungen sind besonders solche Substanzen mit ungesättigtem Charakter (d. h. mit Doppelbindungen) farbig.
In den Farben- und Lackindustrie lässt sich der Farbton eines Farbstoffes gezielt durch Variation der Molekülbestandteile verändern. Einige anorganische Verbindungen sind farblos. Ausnahmen sind beispielsweise zahlreiche Verbindungen der Übergangsmetalle.
Farbe kann auch durch andere physikalische Phänomene als durch Absorption zustande kommen. Die Farben von Perlmutt, von Seifenblasen oder von Ölfilmen auf Wasser entstehen durch Interferenz. Bestimmte Kristalltypen zeigen verschiedene Farben, wenn sie von Licht in unterschiedlichen Winkeln durchstrahlt werden.
Dieses Phänomen nennt man Pleochroismus. Manche Substanzen haben im reflektierten Licht eine andere Farbe als im durchgelassenen Licht. So erscheint eine sehr dünne Goldfolie im durchscheinenden Licht grün. Das so genannte Feuer mancher Edelsteine, z. B. von Diamanten, entsteht durch spektrale Zerlegung des weißen Lichtes.
Einen ähnlichen Effekt kann man auch an Prismen beobachten. Wenn gewisse Substanzen mit Licht eines bestimmten Farbtons beleuchtet werden, so absorbieren sie dieses Licht und strahlen dafür Licht mit einem anderen Farbton ab, der stets einer größeren Lichtwellenlänge entspricht. Dieses Phänomen nennt man Fluoreszenz. Tritt sie verzögert auf, spricht man von Phosphoreszenz. Das Blau des Himmels entsteht durch Streuung der Lichtanteile mit kürzeren Wellenlängen (Violett und Blau) durch die Gasmoleküle in der Atmosphäre. Ähnliches kann man in einem Kino beobachten: Von der Seite gesehen, hat der Projektionslichtstrahl einen blauen Schimmer.
Der Schimmer ist das Ergebnis der Lichtstreuung an Staub- und Schwebeteilchen in der Luft.
Fremdwörter
Neurophysiologisch = Wissenschaftsgebiet, das sich der Frage widmet, wie Nervenzellen Informationen empfangen und übermitteln.
Komplex = (lat. komplexio) Umfassung
Kolorimetrie = (lateinisch-griechisch) Verfahren zur Farbtonmessung, das in der Chemie und Astronomie Anwendung findet. Die Messung erfolgt über das Maß in dem Licht von der zu analysierenden Flüssigkeit absorbiert wird.
Komponente = (lat.
) Teil eines Ganzen, Bestandteil (z. B. einer chemischen Verbindung)
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