Die Farben der Physik

Wenn man es genau nimmt, gibt es keine Farben für Physiker, das sind nur Wellenlängen und Energiepakete. Doch unsere Augen (auch die von Nicht-Physikern) sehen das anders, denn in unserer Netzhaut befinden sich Sinneszellen, Stäbchen und Zäpfchen.

Dabei sind die Stäbchen für die Wahrnehmung von Helligkeiten zuständig, ihre größte Empfindlichkeit liegt bei 498 nm und die Stäbchen kümmern sich um die Farbwahrnehmung. Die S-Zapfen registrieren Licht im blauen Bereich mit der größten Empfindlichkeit bei 419 nm. M-Zapfen sehen am besten bei 531 nm und die L-Zapfen bevorzugen 558 nm, was eigentlich näher bei Gelb als Rot liegt. Daneben überlappen sich diese Empfindlichkeitsbereiche allerdings und alles Weitere ist eine Frage der Interpretation in unserem Gehirn – mal ganz zu Schweigen von den verschiedenen Formen der Farbenblindheit.

Und doch, wenn wir die Augen öffnen, sehen wir Farben und viele dieser Farben stehen in Zusammenhang mit physikalischen Prozessen, die für eben diese Lichtemission verantwortlich sind.

Der blaue Himmel beispielsweise bekommt seine Farbe durch die Wassertröpfchen in unserer Atmosphäre. Durch sie wird das Licht gebrochen und umgelenkt, und diese Lichtbrechung ist auch von der Wellenlänge abhängig, je kürzer die Wellenlänge, desto stärker wird das Licht abgelenkt. So streut blaues Licht stärker als gelbes oder und verteilt sich an unserem Himmel. Am frühen Morgen oder späten Abend allerdings legt das Licht einen langen Weg durch die Atmosphäre zurück und die Blauen Anteile werden abgelenkt, so erscheint uns die Sonne tiefrot.

Schon daraus und noch viel mehr, wenn wir ein Prisma (auch in diesem wird das Licht gebrochen) in den Lichtstrahl halten – dadurch wird es in seine Spektralfarben aufgespalten und wir sehen einen Regenbogen von Farben. Diese Farben entstehen durch die Temperatur der Sonne, denn obwohl wir bei Wärmestrahlung in der Regel an Infrarot denken, ist jedes Lichtteilchen ein Energiepaket. Und tatsächlich sind die blauen Anteile sogar energiereicher als die roten (oder infraroten). Der Unterschied besteht ausschließlich in der Sichtbarkeit für unser Auge.

Nun mag sich das seltsam anhören aber man spricht von Schwarzkörperstrahlung (die Sonne sieht so gar nicht schwarz aus). Die Idee dabei ist, dass selbst ein schwarzer Körper in Abhängigkeit von seiner Temperatur Licht aussendet (die Sonne ist sehr heiß, also viel Licht). Dieses Licht wird in einem breiten Spektrum abgestrahlt, und das Maximum liegt bei einer Wellenlänge, die von der Temperatur des Körpers abhängig ist. Für die Sonne beträgt die Temperatur etwa 6000 Kelvin, was einem Energiemaximum im Gelben Bereich entspricht. Im Sternbild Stier gibt es einen roten Riesen Aldebaran. Aus seiner Farbe kann geschlossen werden, dass seine Oberflächentemperatur bei etwa 4100 Kelvin liegt. Und auf der anderen Seite findet mal blaue Sterne (die mit genügend Masse später zu roten Riesen werden), welche Oberflächentemperaturen von (weit) über 10000 Kelvin haben können.

Schwarzkörperstrahlung entsteht aber nicht nur bei Sternen, sondern bei jedem Gegenstand mit einer Temperatur von mehr als 0 Kelvin (und da diese Temperatur nicht erreicht werden kann, also bei wirklich jedem Körper). Dabei ist es so, dass die Atome und Moleküle in dem Körper durch die Hitze in Bewegung geraten und schwingen. Die Energie, die in dieser Bewegung steckt, kann als Photon ausgesandt werden (dadurch kühlt das Molekül um diese Energiemenge ab). So entsteht ein kontinuierliches Spektrum, das wir im Regenbogen sehen, aber wenn wir genauer hinschauen, gibt es Linien in diesem Spektrum, irgendetwas schluckt also Licht ganz bestimmter Wellenlängen. Dieses Licht wird von Atomen und Molekülen absorbiert, die sich in der Oberfläche und Corona der Sonne befinden.

Die Atome setzen sich aus Atomkernen zusammen, um welche die Elektronen auf ihren Umlaufbahnen kreisen (laut Quantenmechanik sind es keine Bahnen, sondern Aufenthaltswahrscheinlichkeiten, aber das spielt für unsere Betrachtung im Moment keine Rolle). Nun kann es vorkommen, das ein Photon auf das Atom trifft, das genau die richtige Energiemenge liefert, um das Elektron auf ein höheres Energieniveau zu heben. Da muss es aber nicht bleiben, sondern kann unter Aussendung eines Photons (mit eben dieser Energie) wieder zurückfallen.

Licht von der Sonne oder einem anderen Stern wird also bei ganz bestimmten Frequenzen respektive Wellenlänge absorbiert und in beliebige Richtungen wieder emittiert und das emittierte Licht fehlt dann im Spektrum des Sterns. Da jedes Atom oder Molekül ganz bestimmte Energieniveaus hat, lassen sich auf diese Weise Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Sterns ziehen.

Und nicht nur das. Betrachten wir andere Lichtquellen, z. B. eine Leuchtstoffröhre, so werden hier Elektronen durch die angelegte elektrische Spannung angeregt, senden Licht im UV-Bereich aus, welches in der Beschichtung der Lampe wieder Atome anregt. Hier allerdings überspringen die Elektronen ein paar Niveaus (UV-Licht ist sehr energiereich) und fallen sukzessive wieder hinab, wobei sichtbares Licht ausgesandt wird.

Jede Lichtquelle funktioniert nach einem dieser Prinzipien entweder ist es die Temperatur, welche zu Schwarzkörperstrahlung führt, oder angeregte Atome geben Licht in ganz bestimmten Energiepaketen ab. Dieses Prinzip funktioniert nicht nur mit elektrischer Energie. Einige Organismen, wie Leuchtkäfer oder Tiefseefische nutzen chemische Energie, um Atome oder Moleküle zum Leuchten anzuregen.

Und Farbe entsteht nicht nur, wenn Licht ausgesandt wird, sondern auch, wenn es verschluckt bzw. absorbiert wird. So erhalten Körper ihre Farbe, weil sie bestimmte Teile des Spektrums schlucken und andere reflektieren. Tomaten erscheinen rot, weil sie hauptsächlich rotes Licht reflektieren und alles andere Schlucken. Pflanzen sehen grün aus, weil das Chlorophyll ganz besonders Wellenlängen zwischen 600 und 800 nm sowie um 400 nm schluckt und daraus Energie für den Pflanzenstoffwechsel gewinnt. Das ist auf den ersten Blick nicht sehr schlau von den Pflanzen, denn die meiste Energie erreicht die Erdoberfläche im Bereich des grünen Lichts, welches die Pflanzen aber hartnäckig ignorieren.

So dumm sind die Pflanzen aber dann doch nicht, denn sie schauen sich nicht die Wellenlängen an, sondern die Anzahl der tatsächlich eintreffenden Photonen und so gesehen trifft tatsächlich die Mehrzahl der Photonen in genau dem Spektralbereich ein, den das Chlorophyll absorbieren kann. Dabei ist insbesondere der rote Bereich ausschlaggebend. Die meisten Photonen, die auf die Erdoberfläche treffen, sind deshalb rot, weil andere Photonen hauptsächlich durch das Ozon in der Atmosphäre absorbiert werden. In der Frühzeit des Lebens auf der Erde gab es noch kein Ozon und die Pflanzenpigmente wären mehr Blau. Die Pflanzen haben sich also mit ihrer Farbe der veränderten Situation angepasst.

Um einen heißen blauen Stern wäre es für eine Pflanze besser blaues Licht zu nutzen und die dann nötigen blauen Pigmente würden dazu führen, dass eher orange und rote Anteile des Lichts reflektiert werden.

Trickreicher als bei den Pflanzen war die Evolution vielleicht noch bei einigen Schmetterlingen. Wir erinnern uns, dass wir das Licht mit einem Prisma in seine Bestandteile zerlegen können. Das machen sich einige farbenprächtige Schmetterlinge zunutze, um in leuchtenden Farben zu erstrahlen. Dabei spalten sie das Licht aber nicht nur auf, sondern sorgen dafür, dass praktisch nur noch eine Wellenlänge übrig bleibt. Es ist nämlich so, dass Lichtwellen sich genauso wie Wasserwellen überlagern können, und so kann man Licht verstärken, wenn man Wellenberg auf Wellenberg treffen lässt, und schwächen, wenn Tal auf Tal trifft. Die Schuppen einiger Schmetterlinge sind so strukturiert, dass beispielsweise nur blaues Licht verstärkt wird. Der Schmetterling scheint zu leuchten, wie es mit keinem Pigment möglich wäre.

Wir sehen, es hilft nichts, wenn wir die Augen öffnen sehen wir Physik, die Farben um uns herum haben alle ihre Bedeutung und sogar Geschichte.


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