2 Einführung in Licht und Farbe

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1 2.1 Lernziele 1. Sie wissen, dass Farbe im Gehirn erzeugt wird. 2. Sie sind mit den drei Prinzipien vertraut, die einen Gegenstand farbig machen können. 3. Sie kennen den Zusammenhang zwischen Farbe und Komplementärfarbe. 4. Sie wissen, dass die Farbe eines Gegenstands der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts entspricht. 5. Sie sind mit der Funktionsweise eines Spektralfotometers vertraut. 2.2 Spektralfarben Sichtbare elektromagnetische Strahlung, die in unser Auge fällt, bezeichnen wir als "Licht". Dieses umfasst einen kleinen Ausschnitt aus dem grossen Bereich der elektromagnetischen Wellen (vgl. Modul Wellen, Licht und Elektronen, Abschnitt 2.1) und kann durch ein Prisma in die verschiedenen Wellenbereiche zerlegt werden, die der Mensch als Farben empfindet. Experiment 2.1: Weisses Licht einer starken Lampe wird durch ein Prisma gesendet. Abb. 2.1 Aufteilung von weissem Licht durch ein Prisma in die Spektralfarben Das sichtbare Licht wird in seine Spektralfarben zerlegt. Je nach Farbe erfährt das Licht im Prisma eine stärkere oder schwächere Ablenkung: Rotes Licht wird am wenigsten stark, violettes am stärksten abgelenkt. Dazwischen liegen die Farben wie im Regenbogen: violett blau grün gelb orange rot. 21

2 Je nach Farbe hat das Licht unterschiedliche Energien und Wellenlängen. Das sichtbare Spektrum deckt den Wellenlängenbereich von 400 nm (violett) bis etwa 750 nm (rot) ab (1 nm = 10-9 m). Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto energiereicher ist es. Tabelle 2.1: Wellenlängen, Lichtfarbe und Photonenenergie Wellenlängenbereich in nm Farbe des Lichts Photonenenergie (10-22 kj) violett 4,97-4, blau grünblau 4,57-4,14 4,14-4, blaugrün 4,05-3, grün gelbgrün 3,97-3,55 3,55-3, gelb 3,42-3, orange 3,34-3, rot 3,28-2, Licht und Farbe Nachts sind alle Katzen grau! sagt ein altes Sprichwort. Ohne Licht gibt es keine Farben. Ebenso gilt: Ohne entsprechende Rezeptoren in der Netzhaut wäre die Welt für die Menschen ebenfalls nicht bunt. Farbe wird erst von unserem Gehirn erzeugt. Das Phänomen Farbe beruht auf dem Zusammenspiel zwischen Lichtquelle, farbigem Gegenstand, Auge und Gehirn. Der Zusammenhang zwischen Licht und Farbe kann schematisch folgendermassen dargestellt werden: Der Farbeindruck wird im Gehirn erzeugt, als Antwort auf die von einem bunten Gegenstand ausgehende Strahlung, welche das Auge wahrnimmt. Weil diese Zusammenhänge sehr komplex sind, kommen sie im Rahmen dieser Unterrichtseinheit nicht näher zur Sprache (vgl. Modul Quantenchemie und organische farbige Stoffe, Abschnitt 1.4). 22

3 Die von einer Lichtquelle ausgehende Strahlung ist quantitativ und qualitativ erfassbar, wobei die Lichtintensität und die Zusammensetzung von Licht gemessen werden können. Das Leben auf der Erde ist auf die Sonne als Lichtquelle ausgerichtet. Ein Gegenstand kann Licht auf drei Arten verändern und daher farbig erscheinen: 1. Er lenkt das Licht ab. Nicht alle Lichtfarben werden gleich stark abgelenkt (Streuung, diffuse Reflektion). 2. Er verschluckt (absorbiert) einen Teil des Lichts und strahlt den Rest zurück (remittiert das Restlicht; Absorption und Transmission). 3. Er wird zum Leuchten angeregt und sendet Licht aus (emittiert Licht: Emission). Abb. 2.2 Mögliche Wechselwirkungen zwischen Licht und einem Gegenstand Alle drei Varianten treten im täglichen Leben auf. 1. Ablenkung von Licht ist verantwortlich für den blauen Himmel, die gelbe Sonne und den roten Sonnenuntergang (Streuung von Licht an Partikeln in der Luft). Bunte Vogelfedern, schillernde Seifenblasen und Benzinschichten auf Pfützen verdanken ihre Farbigkeit der Ablenkung von Licht an dünnen, teilweise lichtdurchlässigen Schichten (Interferenzfarben). 2. Absorption ist der weitaus häufigste Grund, warum ein Gegenstand farbig ist. Blue Jeans, alle auf Fresken verwendeten Pigmente, braune, rote und schwarze Haare, grüne Blätter, rote Tomaten, Buntmetalle etc. verdanken ihre Farbe diesem Mechanismus. 23

4 3. Emission von Licht ist am direktesten in einer Flamme zu sehen, aber auch Glühwürmchen und violett leuchtende (bei Tageslicht weisse) T-Shirts in Discos zeigen diese Art von Farbigkeit. Weil die Absorption die häufigste Ursache für Farbigkeit ist, liegt der Schwerpunkt der hier vorliegenden Unterrichtseinheit auf diesem Mechanismus. 2.4 Komplementärfarben Experiment 2.2: Weisses Licht schickt man durch ein Prisma. Vor oder hinter das Prisma wird ein farbiger Filter gehalten. Farbfilter absorbieren Licht bestimmter Farben. Anhand des Spektrums ist unschwer zu erkennen, welche Farben herausgefiltert werden. Aus dem Restlicht, welches den Filter durchläuft, erzeugt das Sehorgan einen bestimmten Farbeindruck. Tabelle 2.2 Absorbiertes Licht und sichtbare Farbe Wellenlängenbereich des absorbierten Lichts [nm] Farbe des absorbierten Lichts beobachtete Farbe violett gelbgrün blau grünblau gelb orange blaugrün rot grün gelbgrün purpur violett gelb blau orange grünblau rot blaugrün Wenn eine Substanz nur eine Farbe aus dem Spektrum absorbiert, entspricht die wahrgenommene Farbe der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Werden mehrere Lichtfarben absorbiert, kombiniert das Auge das Restlicht zu einer Farbe. Trifft gleichzeitig Licht in Komplementärfarben auf das Auge, nehmen wir es als weisses Licht wahr. Das Gehirn kombiniert Komplementärfarben miteinander zu Weiss. Dieser Ergänzung zu weissem Licht 24

5 verdanken die Komplementärfarben ihren Namen: Der lateinische Ausdruck complementum bedeutet Ergänzung. - Die Farbe eines Gegenstands entspricht der Komplementärfarbe der absorbierten Farbe. - Wenn ein Gegenstand mehr als eine Farbe absorbiert, kombiniert das Auge die Farben des remittierten Lichts zu einer Farbe. 2.5 Das Spektralfotometer Um die Absorption eines Stoffs quantitativ zu erfassen, verwendet man ein Spektralfotometer. Zur experimentellen Ermittlung der Extinktion (Auslöschung) E λ wird die Lösung einer Substanz S von einer Lichtquelle L mit Licht der Intensität I 0 durchstrahlt. Für die Intensität von absorbierten Anteilen I a und von durchgelassenen Anteilen I d gilt die Beziehung: I 0 = I d + I a.. Misst man Lösungen, so muss man zuerst das Lösemittel als Hintergrund registrieren, damit allfällige Absorptionen dieses Stoffs als Nulllinie verrechnet werden. Abb. 2.3 Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Spektralfotometers Das von einer Lichtquelle ausgehende Licht durchläuft ein Prisma, wobei eine Wellenlänge nach der anderen durch einen Spalt auf die Probe geschickt wird. Die Intensität des auf den Detektor auftreffenden Lichts wird in Relation zur Intensität des eingestrahlten Lichts ausgewertet. Abb. 2.4 Schematische Darstellung des Aufbaus eines Spektralfotometers 25

6 Die Auswertung der Messungen erfolgt mithilfe einer grafischen Darstellung (Spektrum), in der die Wellenlänge gegen die Extinktion aufgetragen wird. Sie ist ein Mass dafür, wie stark Licht von einer Probe absorbiert wird. Die Extinktion E λ ist definiert als Logarithmus zur Basis 10 des Verhältnisses Lichtintensität vor der Probe zu Lichtintensität nach der Probe: E λ = log 10 (I 0 /I d ) Auf der x-achse des Spektrums der Abb. 2.5 ist die Extinktion aufgetragen, auf der y-achse die Wellenlänge. Der Stoff, 11-Phenylundecapentaenal (Pentaenal), absorbiert maximal bei 400 nm, das gesamte sichtbare Licht mit Wellenlängen über 480 nm wird nicht absorbiert. Die Farbe der gemessenen Lösung ist gelbgrün, absorbiert wird also die Komplementärfarbe violett. Abb. 2.5 Spektrum von 11-Phenylundecapentaenal (Pentaenal) in Dichlormethan gelöst Man findet bei Molekülen keine Linienspektren, sondern mehr oder weniger breite Banden, welche häufig die Form von Glockenkurven aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es neben der Anregung von Elektronen auch noch zur Anregung von Schwingungen und Rotationen des Moleküls kommt. 2.6 Zusammenfassung - Ein Farbeindruck entsteht in unserem Gehirn. - Damit ein Stoff farbig erscheint, muss er mit Licht in Wechselwirkung treten. Dies kann auf drei Arten geschehen: Licht wird abgelenkt, absorbiert oder emittiert. - Wenn weisses Licht durch ein Prisma geschickt wird, teilt sich das Licht in die Spektralfarben auf. 26

7 - Wenn ein Stoff eine Farbe aus dem sichtbaren Licht absorbiert, trägt er als Stofffarbe die Komplementärfarbe der absorbierten Farbe. Absorbiert ein Stoff mehrere Farben, kombiniert das Gehirn die restlichen Farben zu einem Farbeindruck. Ohne Messgerät ist nicht erkennbar, ob eine oder mehrere Farben absorbiert werden. - Zur Messung der absorbierten Farbe dient ein Spektralfotometer. Damit wird die Absorption bei verschiedenen Wellenlängen ermittelt. 2.7 Übungen mit Lösungen zum Kapitel 2 Übungen A 2.1 Welcher Bereich des Spektrums fehlt jeweils bei einem roten / gelben / blaugrünen / blauen / violetten Farbfilter? A 2.2 Was geschieht, wenn man zwei verschiedene, farbige Filter in einen Lichtstrahl hält? A 2.3 Welche Farbe hat ein Stoff, der bei 500 nm maximal absorbiert? A 2.4 Ein Gegenstand absorbiert a) blaues b) violettes c) grünblaues Licht. Welche Farbe hat der Gegenstand? A 2.5 Ein Gegenstand ist grün. Geben Sie zwei Möglichkeiten an, welche Lichtfarben von diesem Stoff absorbiert werden. A 2.6 Welche der folgenden Aussagen treffen auf Fensterglas zu? a) Es absorbiert einen grossen Teil des roten Lichts. b) Die Transmission (Durchlässigkeit) aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist hoch. c) Es emittiert gelbes Licht. Lösungen A 2.1 Die Filter absorbieren die Komplementärfarbe der Filterfarbe: rot: blaugrün; gelb: blau; blaugrün: rot; violett: gelbgrün A 2.2 Die Komplementärfarben der beiden Filter werden aus dem sichtbaren Licht absorbiert. Das die Filter durchlaufende Restlicht erzeugt im Sehorgan einen bestimmten Farbeindruck. A nm ist blaugrün, die Komplementärfarbe davon ist rot. A 2.4 a) gelb b) gelbgrün c) orange. A 2.5 Variante 1: Die Komplementärfarbe von grün: rot. Variante 2: Alle Lichtfarben ausser grün. A 2.6 Nur Aussage b) trifft zu. 27