Grundlagen von Licht und Farbe einfach erklärt: Wellen & Photonen

Hast du dich jemals gefragt, warum ein rotes Auto rot aussieht? Das Auto selbst strahlt kein rotes Licht aus. Stattdessen hat es mit dem Licht zu tun, das auf den Lack trifft, und wie das Material damit umgeht. Die Grundlagen von Licht und Farbe helfen uns zu verstehen, was Licht eigentlich ist, wie es Energie transportiert und wie das Zusammenspiel von Licht und Materie dafür sorgt, dass wir unsere Welt in so vielen bunten Farben sehen können.

Vorwissen

• Wellenlänge ($\lambda$): Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen einer Welle.

  Beispiel: Rotes Licht hat eine längere Wellenlänge als blaues Licht.

• Einheiten-Umrechnung: Die Vorsilbe „Nano“ bedeutet ein Milliardstel ($10^{-9}$).

  Beispiel: $500 \text{ nm}$ sind $500 \cdot 10^{-9} \text{ m}$.

Aufgabentyp 1: Licht als Welle und Teilchen

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Man kann sich Licht aber auch als einen Strom von winzigen Energiepaketen vorstellen. Diese Pakete nennen wir Photonen. Wenn Licht auf einen Farbstoff trifft, ist es immer die Energie eines einzelnen Photons, die entscheidet, was passiert.

Es gibt eine feste Regel: Je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist, desto mehr Energie hat ein einzelnes Photon.

Wir können diese Energie mit einer Formel genau berechnen:

$\textcolor{#FF7D57}{E} = h \cdot \frac{c}{\textcolor{#08BFFF}{\lambda}}$

• $\textcolor{#FF7D57}{E}$ = Energie des Photons in Joule ($\text{J}$)

• $h$ = Plancksches Wirkungsquantum ($6{,}626 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}$)

• $c$ = Lichtgeschwindigkeit ($3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$)

• $\textcolor{#08BFFF}{\lambda}$ = Wellenlänge in Metern ($\text{m}$)

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Wellenlänge in Meter umrechnen: Oft ist die Wellenlänge in Nanometern ($\text{nm}$) gegeben. Hänge einfach $\cdot 10^{-9}$ an die Zahl an, um sie in Meter ($\text{m}$) umzuwandeln.
2. Werte in die Formel einsetzen: Setze die Konstanten $h$ und $c$ sowie deine umgerechnete Wellenlänge in die Formel $E = h \cdot \frac{c}{\lambda}$ ein.
3. Ausrechnen und Einheiten kürzen: Die Einheiten Meter ($\text{m}$) und Sekunden ($\text{s}$) kürzen sich bei der Rechnung weg. Das Endergebnis hat immer die Einheit Joule ($\text{J}$).

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Wie wir Farben sehen und der Farbkreis

Das menschliche Auge kann nur einen bestimmten Bereich der elektromagnetischen Wellen sehen. Diesen Bereich nennen wir das sichtbare Spektrum (ca. $380 \text{ nm}$ bis $750 \text{ nm}$). Wenn Licht aller Wellenlängen dieses Spektrums gleichzeitig in unser Auge fällt, erzeugt unser Gehirn den Farbeindruck Weiß.

Aber was passiert, wenn Licht auf einen Gegenstand, wie zum Beispiel ein Blatt, trifft?

• Absorption: Der Farbstoff im Blatt verschluckt bestimmte Wellenlängen des Lichts. Die Energie dieser Photonen wird vom Stoff aufgenommen.

• Reflexion / Transmission: Das restliche Licht, das nicht absorbiert wurde, wird entweder zurückgeworfen (Reflexion) oder durch den Stoff hindurchgelassen (Transmission).

Nur dieses restliche, nicht absorbierte Licht gelangt in unser Auge. Es löst dort ein Signal aus, das unser Gehirn als eine bestimmte Farbe interpretiert.

Wenn ein Stoff eine bestimmte Farbe aus dem weißen Licht absorbiert, sehen wir den Rest des Lichts. Diese restliche Farbmischung nennen wir die Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe. Um herauszufinden, welche Farbe wir sehen, nutzen wir einen Farbkreis. In diesem Kreis liegen sich Komplementärfarben genau gegenüber.

Wenn ein Stoff zum Beispiel blaues Licht absorbiert, wird das restliche Licht von unserem Auge als gelb wahrgenommen.

Die Besonderheit von Magenta: Magenta (Purpur) ist die Komplementärfarbe zu Grün. Das Besondere daran ist, dass es im sichtbaren Spektrum keine einzelne Wellenlänge für Magenta gibt. Unser Gehirn erzeugt diesen Farbeindruck nur dann, wenn rotes und blaues Licht in unser Auge fallen, aber das grüne Licht komplett fehlt.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Absorbiertes Licht bestimmen: Finde im Text heraus, welche Farbe (oder welcher Wellenlängenbereich) von dem Stoff absorbiert wird.
2. Komplementärfarbe ablesen: Suche die absorbierte Farbe im Farbkreis. Die genau gegenüberliegende Farbe ist die Komplementärfarbe und somit die Farbe, die wir sehen.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Licht besteht aus Energiepaketen, den Photonen. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie.
• Wir sehen die Farbe Weiß, wenn alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts in unser Auge fallen.
• Wenn ein Stoff eine bestimmte Farbe absorbiert, sehen wir die gegenüberliegende Komplementärfarbe im Farbkreis.
• Magenta ist eine Besonderheit: Es ist die Komplementärfarbe zu Grün, besteht aber aus einer Mischung von Rot und Blau.