10.8 Farben

Du hast sicher schon einmal einen Regenbogen im Freien gesehen. Vielleicht war er sogar so spektakulär wie der Regenbogen in Bild 10.65.

Regenbogen

Bild 10.65: Regenbogen

In diesem Kapitel erfährst du was in der Physik als Farbe verstanden wird, wie ein Regenbogen entsteht, aus wie vielen Farben er besteht und warum wir überhaupt Farben sehen können.

10.8.1 Definition von Farbe

In der Physik ist Farbe so definiert:

Eine bestimmte Farbe ist Licht einer bestimmten Wellenlänge

So entspricht Licht mit der Wellenlänge \(660\;\mathrm{nm}\) einem ganz bestimmten Rot-Ton, \(520\;\mathrm{nm}\) einem ganz bestimmten Grün-Ton und \(445\;\mathrm{nm}\) einem ganz bestimmten Blau-Ton (Bild 10.66).

Laser unterschiedlicher Wellenlänge

Bild 10.66: Laser unterschiedlicher Wellenlänge

Ein Laser ist die einzige Lichtquelle die Licht nur eine einzige Farbe – daher einer einzigen Wellenlänge – erzeugt. Licht einer Farbe wird monochromatisches Licht genannt.

10.8.2 Das Farbspektrum

Unsere Augen können Licht nur in einem bestimmen Wellenlängenbereich wahrnehmen. Dieser Bereicht liegt ungefähr zwischen \(380\;\mathrm{nm}\) bis \(750\;\mathrm{nm}\) (Bild 10.67).

Für den Menschen sichtbares Licht

Bild 10.67: Für den Menschen sichtbares Licht

Wie viele Farben sind in dem Spektrum enthalten? Da die Wellenlänge eine kontinuierliche Größe ist, lautet die Antwort: unendlich. Das Spektrum wird daher grob in sechs Farb-Bereiche eingeteilt:

  • Violett (V)
  • Blau (B)
  • Grün (G)
  • Gelb (Y)
  • Orange (O)
  • Rot (R)

Gut, im Farbspektrum gibt unendlich viele Farben, aber wie viele Farben kann ein Mensch unterscheiden? Die Universität Mannheim hat herausgefunden, dass normalsichtige Menschen etwa 200 Farbtöne unterscheiden können.

Unsichtbares Licht mit Wellenlängen größer als \(750\;\mathrm{nm}\) wird über unsere Haut als Wärme wahrgenommen. Dieser Bereich wir Infrarot („unterhalb von Rot“) (engl. infrared) genannt.

Unsichtbares Licht mit Wellenlängen kleiner als \(380\;\mathrm{nm}\) heißt Ultraviolett („jenseits von Violett“) (engl. ultraviolet). Bis du längere Zeit ultraviolettem Licht ausgesetzt, bekommst du einen Sonnenbrand.

10.8.3 Unbunte „Farben“

Die sogenannten „unbunten Farben“, wie Weiß, Grau oder Schwarz sind physikalisch gesehen keine Farben. Weiß zum Beispiel, besteht aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Trifft ein weißer Lichtstrahl auf ein Prisma, wird er in seine Farb-Bestandteile zerlegt, weil der Brechungswinkel von der Wellenlänge abhängig ist (10.68).

ein Prisma zerlegt Licht in seine Farb-Bestandteile

Bild 10.68: ein Prisma zerlegt Licht in seine Farb-Bestandteile

Grautöne entstehen durch weißes Licht geringer Intensität und Schwarz ist physikalisch – wie du aus dem Kapitel Schatten (10.2) weißt – das Fehlen von Licht.

10.8.4 Entstehung eines Regenbogens

Damit ein Regenbogen entstehen kann, müssen Sonnenstrahlen auf Wassertropfen treffen. Durch Lichtbrechung wird das weiße Sonnenlicht – wie beim Glasprisma (10.8.3) – in seine Farb-Bestandteile aufgefächert (Bild 10.69).

Lichtbrechung in einem Wassertropfen

Bild 10.69: Lichtbrechung in einem Wassertropfen

Nachdem das Licht auf der Rückseite des Tropfens totalreflektiert wurde, tritt es auf der Vorderseite aus und wir können es als Regenbogen sehen. Damit dich das Licht des Regenbogens erreicht, musst du mit dem Rücken zur Sonne stehen (Beachte den Schatten des Fotografen in Bild 10.65).

Interessanterweise wird ein Regenbogen oft von einem zweiten lichtschwächeren Regenbogen mit umgekehrter Farbreihenfolge (Nebenregenbogen (engl. secondary rainbow)) begleitet. In Bild 10.70 kannst du ganz rechts die Tropfen erkennen die den primären Regenbogen erzeugen. Die Tropfen links daneben zeigen wie der Nebenregenbogen entsteht: Das Licht wird zweimal hintereinander totalreflektiert und tritt dann erst aus dem Tropfen aus. Beachte, dass sich bei jeder Reflexion die Farben umkehren!

Haupt- und Nebenregenbogen

Bild 10.70: Haupt- und Nebenregenbogen

10.8.5 Farbsehen

Um zu verstehen wie wir Farben sehen können, ist es wichtig den Aufbau unserer Netzhaut im hinteren Bereich unseres Auges zu kennen.

Auf der Retina befinden sich zwei Arten von lichtempfindlichen Zellen: die sogenannten Stäbchen (engl. rods) und die Zäpfen (engl. cones). Die Stäbchen sind Lichtempfindlicher, aber nehmen nur Graustufen war. Mit ihnen sehen wir hauptsächlich in der Dunkelheit, daher sehen wir tatsächlich „in der Nacht alle Katzen grau“. Die Zäpfchen sind für das Farbsehen zuständig. Wir Menschen besitzt drei unterschiedliche Zäpfchen, die zufällig auf der Netzhaut verteilt sind. Jede Sorte von Zäpfchen ist für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich empfindlich (Bild 10.71).

Empfindlichkeit der drei Zäpfchen (S, M und L)

Bild 10.71: Empfindlichkeit der drei Zäpfchen (S, M und L)

  • Zäpfen für den Rotbereich (maximal Empfindlichkeit für die Lichtwellenlänge \(564\;\mathrm{nm}\))

  • Zäpfen für den Grünbereich (maximal Empfindlichkeit für die Lichtwellenlänge \(534\;\mathrm{nm}\))

  • Zäpfen für den Blaubereich (maximal Empfindlichkeit für die Lichtwellenlänge \(420\;\mathrm{nm}\))

Fällt Licht mit der Wellenlänge \(520\;\mathrm{nm}\) 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.

10.8.6 Farbenfehlsichtigkeit

Eines vorweg: Jeder von uns sieht Farben anders! Warum? Weil jeder von uns eine andere Anzahl an roten, grünen und blauen Zäpfchen auf seiner Netzhaut hat. Das ist aber kein Problem. Deine Eltern zeigen auf den Himmel und sagen: „Der Himmel ist blau“ und so hast du gelernt dem Sinneseindruck, den ein wolkenloser Himmel auf deiner Netzhaut hinterlässt „blau“ zu sagen (obwohl auf der Netzhaut deiner Eltern ein anderer Sinneseindruck erzeugt wird).

Farbenfehlsichtigkeit (umgangssprachlich oft als „Farbenblindheit“ bezeichnet) tritt bei rund 5% der Bevölkerung auf (und meistens sind davon Männer betroffen). Es gibt unterschiedliche Arten von Farbenfehlsichtigkeit, die häufigste ist die Rot-Grün-Sehschwäche. Betroffene können dann bestimmte Rot- und Grüntöne schlechter als Normalsichtige unterscheiden. Zum Beispiel erkennen Personen mit Rot-Grün-Sehschwäche in Bild 10.72 eine 17, Normalsichtige erkennen auch eine 47.

Testbild für Rot-Grün-Sehschwäche

Bild 10.72: Testbild für Rot-Grün-Sehschwäche

Die Rot- und Grüntöne von Verkehrsampeln sind so gewählt, dass auch Personen mit Rot-Grün-Sehschwäche sie gut unterscheiden können. Personen die überhaupt keine Farben sehen können, also wirklich farbenblind sind, gibt es auch. Echte Farbenblindheit kommt glücklicherweise nur sehr, sehr selten vor.