Von der Lichtwelle zur Farbempfindung

strahlung

Unser Auge ist das Sinnesorgan für die Strahlungsenergie der Sonne.

Die nukleare Fusion in der Sonne erzeugt eine massive Strahlung. Wissenschaftler beschreiben diese Strahlung als Wellen in einem elektromagnetischen Feld und gleichzeitig als winzig kleine Teilchen von Energie (Photonen – aus dem Griechischen φως, phos = Licht).

Das Sonnenlicht ist weißes Licht, zusammengesetzt aus einem ganzen Spektrum von Frequenzen.

Der Nachweis, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, gelang den Physikern James Maxwell und Heinrich Hertz im 19. Jahrhundert.

Elektromagnetische Wellen können durch das Vakuum reisen – anders als mechanische Wellen, die ein Medium brauchen, um ihre Energie zu transportieren. Wir kennen elektromagnetische Wellen vom Radio und von der Mikrowelle, die das Essen warm macht.

Lichtwellen, Mikrowellen, Radiowellen …

Während Radiowellen unsichtbar sind, handelt es sich beim Licht um etwas Sichtbares. Tatsächlich unterscheidet sich eine Lichtwelle von einer Radiowelle oder einer Mikrowelle nicht in ihrer Natur, sondern nur durch die Wellenlänge bzw. Frequenz. UKW-Radio liegt in einem Frequenzbereich zwischen 87.5 und 108.0 Megahertz. Wellen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 30.000 Hz kennt auch jeder: Das sind Schallwellen.

Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist nur ein kleiner Ausschnitt des Bereichs, der als Licht bezeichnet wird und liegt bei einer Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern.

UV-Licht: Ultraviolette Strahlung

Die ultraviolette oder kurz UV-Strahlung ist der gefährliche Teil des Spektrums – ihre Energie durchbricht chemische Grenzen und erzeugt irreversible Schäden. Sie ist aber für das Sehen auch nicht notwendig, so dass die durch Sonnenfilter eliminiert werden kann.

Wie die Sonne uns sieht

Menschen sehen darum nicht bis in den ultravioletten Bereich – während unserer langen Lebensspanne würden die UV-Strahlen schaden. Bienen hingegen sind kurzlebig und profitieren von diesem zusätzlichen Spektrum.

Infrarot: Nicht sichtbar, aber spürbar

Das Licht im Infrarot ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Sir Frederick William Herschel (1738-1822) wies 1800 in seinen Experimenten zur Farbtemperatur nach, dass sich die Lichtstrahlen im Infrarotbereich genauso verhalten wie das sichtbare Licht: Sie lassen sich reflektieren und brechen.

Heute gibt es viele Anwendungen für Infrarotlicht: Infrarotkameras werden bei der Polizei, der Feuerwehr und beim Militär eingesetzt, denn sie machen Menschen auch in dunklem Rauch sichtbar und entdecken Hotspots in Waldbränden. Infrarotkameras entdecken die Stellen im Haus, an denen die Wärme verloren geht.

Von der Lichtwelle zur Farbe

Physiker betrachten Licht entweder als Teilchen (Photon) oder als elektromagnetsiche Welle. Für das Phänomen der Farbe wird die Wellentheorie herangezogen.

Elektromagnetische Wellen werden durch drei Eigenschaften beschrieben:

  • Lambda λ Wellenlänge
  • f Frequenz
  • c Lichtgeschwindigkeit

Elektromagnetische Strahlung – gleich ob Radiowellen oder Lichtwellen, Gamma- oder Röntgenstrahlen) breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit (c = 3x108 m/s) aus.

Die Grundgleichung sagt: Die Wellenlänge ist Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle geteilt durch die Frequenz.

f=cλ

Eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 380 Nanometer wird vom Auge als sichtbares violettes Licht wahrgenommen, bei einer Wellenlänge von 780 Nanometern nehmen wir rotes Licht wahr. Dazwischen befindet sich das gesamte sichtbare Farbspektrum von Violett über Blau, Grün, Gelb, Orange bis zu Rot. Eine bestimmte Wellenlänge entspricht einer bestimmten Farbe.

Eine Farbe kann durch ein monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge empfunden werden. Wir sehen aber auch Gelb als additive Mischung aus Rot mit einer Wellenlänge von 670 nm und Grün mit einer Wellenlänge von 500 nm.

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Ein menschliches Haar ist etwa 0.09 mm dick. Eine Lichtwelle ist nur 1/2000 so lang wie ein Haar dick ist.
Zum Vergleich: Ozeanwellen sind etwa 60 m lang.

Die Entfernung zwischen den hohen Stellen einer elektromagnetischen Welle wird als Wellenlänge (mit dem Symbol λ) bezeichnet und in Nanometern gemessen. Nanometer sind Milliardstel eines Meters 1 nm = 10−9 m.

700 nm 470 nm
Die Wellenlängen des Lichts
Rot hat eine längere Wellenlänge – eine niedrigere Frequenz – als Blau.

Wenn Licht ein transparentes Medium durchquert, werden die Wellenlängen leicht komprimiert (dadurch entsteht der leichte Blaustich) und die Geschwindigkeit des Lichts lässt leicht nach. Dadurch kommt die charakteristische Brechung des Lichts an den Grenzen zwischen zwei Medien wie Luft und Wasser oder Glas zustande.

Wellenlänge (λ)
Die Wellenlänge λ (wavelength) gibt die Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten einer periodischen Welle an.
Das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz gibt die Geschwindigkeit der Welle an; im Vakuum ist die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle konstant und somit unabhängig von Wellenlänge und Amplitude. Die Geschwindigkeit verringert sich auf c/n, wenn sich die Welle in einem anderen Medium als dem Vakuum ausbreitet (n bezeichnet den Brechungsindex dieses Mediums).
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