Entstehung von Farben

Vorbemerkung: In diesem Artikel werden die Fachbegriffe (Absorption, Streuung, ...) nur so weit erklärt, wie es für das Verständnis der Entstehung von Farben nötig ist. Für eine umfassendere und präzisere Erklärung wird auf die Links zu den einzelnen Themen verwiesen.

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Selbst leuchtende Körper

Emission

Bei leuchtenden Körpern entstehen Farben durch das Aussenden von Strahlung (Emission). Hierbei werden Elektronen in Atomen durch Zufuhr von Energie angeregt, das heißt in einen Zustand höherer Energie versetzt. Die Energie wird dabei meist in Form von Wärme zugeführt. Nach kurzer Zeit fällt das angeregte Elektron wieder in einen Zustand niedrigerer Energie zurück und gibt dabei die zuvor erhaltene Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab.

Je mehr Energie dabei abgegeben wird, desto kurzwelliger ist Strahlung. Liegt die Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts, leuchtet der Körper. Da die Elektronen eines Atoms nicht beliebige, sondern nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen können, werden auch immer nur ganz bestimmte Mengen an Energie und damit ganz bestimmte Wellenlängen (=Farben) abgestrahlt.

Beispiel: Die Elektronen von Natrium werden durch die Hitze einer Flamme angeregt und senden gelbes Licht aus. Deshalb leuchtet eine Flamme gelb, wenn man Kochsalz, das aus Natrium und Chlor besteht, in eine Flamme hält.

Nicht selbst leuchtende Objekte

Bei nicht selbst leuchtenden Körpern entstehen Farben dadurch, dass von dem Licht, mit dem sie angestrahlt werden, manche Farben stärker und andere weniger stark durch den Körper beeinflusst werden. Es gibt verschiedene Arten der Beeinflussung:

Remission

Bei der Remission werden Elektronen durch Licht angeregt und geben ihre Energie später in Form von Wärme oder nicht sichtbarer elektromagnetischer Strahlung wieder ab. Die Anregung kann nur durch Lichtwellen erfolgen, die genau die richtige Menge Energie haben, also nur durch Licht einer ganz bestimmten Farbe. Diese Farbe wird aus dem Licht herausgefiltert. Je nach Material werden unterschiedliche Farben absorbiert, andere dafür reflektiert beziehungsweise transmittiert.

Beispiel: Gelbe Malerfarbe erscheint deshalb gelb, weil bestimmte Farbbereiche (hier der blaue Spektralbereich) absorbiert werden und nur die für die gelbe Farbwahrnehmung verantwortlichen Spektralbereiche reflektiert werden (in diesem Falle der rote und grüne Spektralbereich).

Strukturfarben

Im Gegensatz zur Absorption, die auf den chemischen Eigenschaften des Materials beruht, liegen den Strukturfarben physikalische Phänomene zugrunde.

Interferenz

Interferenz an dünnen Schichten

Bei sehr dünnen durchsichtigen Schichten wird Licht nicht nur von der Oberfläche, sondern auch von der gegenüberliegenden Grenzfläche zurückgeworfen. Die beiden Lichtstrahlen überlagern sich. Da das Licht, das von der tiefer liegenden Oberfläche reflektiert wurde, einen geringfügig längeren Weg zurückgelegt hat, sind die Wellen leicht gegeneinander verschoben.

Ist die Verschiebung gerade so groß, dass Wellenberge des einen Lichtstrahls mit den Wellentälern des anderen Lichtstrahls zusammentreffen, so löschen sie sich gegenseitig aus. Treffen dagegen Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental, so wird das Licht verstärkt. Dieser Effekt wird Interferenz genannt.

Ob Licht nun verstärkt oder abgeschwächt wird, hängt von der Dicke der Schicht, dem Winkel des einfallenden Lichts sowie der Wellenlänge (Farbe) ab. Die Farben von Seifenblasen oder einer Ölschicht auf dem Wasser werden so erzeugt. Da sich die Dicke der Schichten laufend ändert, ändern sich auch die Farbmuster.

Interferenz am Gitter

Interferenz kann auch entstehen, wenn Licht an feinen, regelmäßigen Strukturen ("Gitter") reflektiert wird. Auch hier sorgen unterschiedlich lange Wege für eine Verstärkung oder Auslöschung bestimmter Wellenlängen.

Ein Beispiel hierfür ist die CD, bei der das Licht an den unzähligen kleinen Vertiefungen zurückgeworfen wird, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Kunstwerke der Op-Art verwendeten oft Gitter mit dahinterliegenden Kreisen oder anderen manchmal farbigen Mustern, um Interferenz hervorzurufen. Viele "schillernde" Farben in der Natur, beispielsweise bei Vogelfedern, Schmetterlingsflügeln oder Opalen entstehen durch Interferenz.

Streuung

Kleine Teilchen werfen das auftreffende Licht in alle Richtungen zurück. Sind die Teilchen kleiner als 0,1µm, beispielsweise Luftmoleküle oder sehr kleine Aerosolteilchen, hängt die Stärke der Streuung von der Wellenlänge ab. Kurzwelliges Licht wird dann stärker gestreut als langwelliges.

Der Himmel erscheint deshalb blau, weil das blaue (kurzwellige) Licht an den Luftmolekülen stärker gestreut wird als andere Farben.

Brechung

Wenn Licht schräg auf die Oberfläche eines durchsichtigen Materials fällt, so ändert sich seine Richtung. Diese Richtungsänderung ist jedoch unterschiedlich stark für verschiedene Wellenlängen (Dispersion), kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges (dies ist auch die Ursache der chromatischen Aberration). Dadurch wird weißes Licht in die Spektralfarben zerlegt. So entstehen zum Beispiel die Farben des Regenbogens.

Literatur

H.Dittmar-Ilgen: Wie das Salz ins Meerwasser kommt...., Hirzel-Verlag; S.28: Kleine Strukturen bilden Farben