D – Farbige Phänomene

Vertiefung: Phänomene rund um Farben und Farbsehen

Nachdem wir nun die Grundlagen des Farbsehen und der Farbenlehre betrachtet haben, können wir dies nun auf Phänomene des Alltags übertragen und diese besser verstehen.

D.1 Regenbogen

Der Regenbogen in seiner Himmelserscheinung ist eins der bekanntesten und eindrucksvollsten farbigen Alltagsphänomene. In kleinerer Form begegnet er uns aber ebenfalls – und wenn wir aufmerksam sind auch ständig – im Zusammenspiel von Licht mit Glas oder Wasser

Der Regenbogen ist nämlich ein Phänomen, das auf die Dispersion zurückzuführen ist, also auf die wellenlängenabhängige Brechung von Licht. Er tritt auf, wenn Licht von einem Medium wie beispielsweise Luft in ein anderes durchsichtiges Medium wie Glas oder Wasser tritt. Da der Brechungsindex von Glas und Wasser deutlich größer ist als der von Luft, wird der Lichtstrahl beim Übergang zwischen diesen beiden Medien auf seinem Weg abgelenkt. Da diese Ablenkung um so größer ist, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist (siehe Abschnitt A und Abbildung D.1 Brechung von Licht), spaltet sich das vormals weiße Licht in seine spektralen Farben auf. Dies ist im folgenden Video gut zu sehen.

Info: Beugung und Brechung

Regenbogenerscheinungen treten auf, wenn weißes Licht nach den unterschiedlichen Wellenlängen aufgespalten wird, aus denen es zusammengesetzt ist (Farbaddition). Das kann durch zweierlei physikalische Prozesse geschehen:
  1. Zum einen wird das Licht beim Übergang zwischen zwei Medien unterschiedlich stark gebrochen (Dispersion). Dadurch können vor allem an Grenzflächen zu Glas und Wasser Regenbogenfarben sichtbar werden.
  2. Zum anderen wird Licht beim Auftreffen an feinen, regelmäßigen Strukturen wie Spalte, Gitter oder Rillen unterschiedlich stark gebeugt. Bei der Überlagerung der einzelnen Wellen (Interferenz) kommt es zu Farberscheinungen, weil die Interferenzmuster der einzelnen Lichtfarben nicht mehr genau übereinander liegen und sich darum nicht mehr zu weiß addieren. Die Farbmuster laufen auseinander und werden einzeln sichtbar. Das führt beispielsweise auch zu den farbschimmernden Oberflächen von Seifenblasen.

Beim Regenbogen am Himmel haben wir es mit der ersten Variante zu tun: Das Licht beim Durchgang von Luft in Wasser (in Form von Regentropfen) und von Wasser zurück in Luft gebrochen und dabei in seine unterschiedlichen Wellenlängen aufgespalten. Aus dem weißen Licht der Sonne wird dadurch ein Regenbogenspektrum an Licht, das in das Auge des Betrachters trifft. Dazu müssen bestimmte Winkel zwischen Sonne, Wassertropfen und Beobachter gelten. Die nachfolgenden Abbildungen D.2 (Entstehung eines Regenbogens) erläutern das genauer.

So betrachtet wäre es logisch, dass wir bei einem Regenbogen das blaue Licht oben und das rote an der Unterkante sehen. Tatsächlich ist es aber umgekehrt. Als letztes müssen wir daher noch bedenken, dass das Licht auch genau im Auge des Betrachters ankommen muss. Die in der oberen Abbildung eingezeichneten Strahlen laufen aber auseinander und können darum nicht alle beim Betrachter ankommen. Die folgende Abbildung D.3 (Reihenfolge der Farben beim Regenbogen) zeigt, dass dies aber für das Licht aus mehreren Tropfen gilt. Bei dieser Betrachtung wird deutlich, dass die Reihenfolge der Farben sich aus dem Licht ergibt, das von vielen Tropfen in unser Auge gelangt.

Das Licht wird (mit weniger Intensität) innerhalb des Wassertropfens auch noch auf andere Weisen gebrochen und totalreflektiert. Dies führt bei guten Lichtverhältnissen zu den schwächeren Erscheinungen der Nebenregenbögen.

Aus den Zeichnungen wird auch deutlich, in welcher Anordnung sich Sonne, Regenfront und Betrachter zueinander befinden müssen: Die Sonne steht in einem eher niedrigen Winkel (42o) über dem Horizont und im Rücken des Betrachters. Die Regenfront muss sich hingegen vor dem Betrachter befinden.

D.2 Chromatographie

In Abschnitt B haben wir das Mischen von Farben betrachtet. Ebenso können Mischfarben auch wieder getrennt werden.

Farben mischen und trennen bei der Farbaddition

Bei der Farbaddition (siehe Abschnitt B.2) wird Lichtfarbe gemischt, in dem mehrere Lichtquellen übereinander leuchten und ihr Licht zu einem Farbeindruck addiert wird. Das so gemischte Licht lässt sich beispielsweise durch ein Prisma wieder trennen (siehe Video oben und Abbildung D.4 Dispersion am Prisma)

Ein Prisma kann dabei auch als Analyseinstrument verwendet werden. Beispielsweise kann Licht für uns gelb erscheinen, wenn es aus Licht im Wellenlängenbereich um 580 nm besteht, aber ebenso wenn es aus Licht im Wellenlängenbereich von 540 nm (grün) und 620 nm (rot) besteht (siehe Abschnitt B.3).

Ein Prisma bringt hier Licht ins Dunkel, wie Abbildung D.5 (Analyse der Lichtmischung durch ein Prisma) zeigt.

Farben mischen und trennen bei der Farbsubtraktion

Bei der Subtraktion durchläuft das Licht Materie, das bestimmte Wellenlängen absorbiert und den Rest transmittiert bzw. streut (siehe Abschnitt B.1). Dies gilt beispielsweise bei übereinandergelegten Farbfiltern oder beim Vermischen von Farbe (verschiedene Farbpartikel absorbieren unterschiedliche Wellenlängen) im Wasserglas oder auch im Filzstift. Auch diese Vermischung kann man meistens durch mehr oder weniger aufwendige Verfahren wieder voneinander trennen.

Eine Variante ist die sogenannte Chromatographie, mit deren Hilfe die Farbmischung in Filzstiften getrennt werden kann. Hierbei sieht man gut, dass die Grundfarben der Farbsubtraktion (Cyan, Gelb, Magenta) nicht weiter zerlegt werden können, die Sekundärfarben (Rot, Grün, Blau) sehr wohl. Unter günstigen Bedingungen kann man auf diese Weise sichtbar machen, dass die Mischfarben (auch Braun, Grau, Schwarz) aus Kombinationen der drei Grundfarben bestehen (siehe nachfolgendes Video).

D.3 Farbige Nachbilder und optische Farbtäuschungen

Im Internet kursieren viele optische Farbtäuschungen, die zu erstaunlichen Effekten führen. Wir betrachten drei Kategorien:

  1. Farbige Nachbilder, die sich auf die sogenannte Komplementarität von Farben und den Nachbildeffekt zurückführen lassen.
  2. Täuschungen aufgrund der räumlichen Umgebung
  3. Täuschungen aufgrund unserer Erfahrung und Sehgewohnheiten

1. Farbige Nachbilder

Komplementarität

Jede Farbe im Farbkreis besitzt auch eine Komplementär- oder Gegenfarbe (siehe Abschnitt C). Das ist die Farbe mit der subtraktiv gemischt sich der Farbeindruck schwarz und additiv gemischt sich der Farbeindruck weiß ergibt. Dies lässt sich gut nachvollziehen, wenn man zwei Filter in Komplementärfarben betrachtet. Abbildung D.6 zeigt die Absorptions-und Transmissionsbereiche für einen blauen und einen gelben Filter.

Legt man nun die Filter übereinander und leuchtet mit einer weißen Lichtquelle hindurch, wird alles Licht absorbiert. – Der eine Teil des Spektrums durch den ersten, den andere durch den zweiten Filter (Abbildung D.7 Subtraktion blauer und gelber Filter).

Leuchtet man hingegen mit einer weißen Lichtquelle durch jeweils einen Filter und legt die beiden Lichtkegel übereinander, addiert sich der eine durch den ersten Filter transmittierte Teil des Spektrums mit dem anderen durch den zweiten Filter transmittierten Teil. Das Spektrum ist durch die Addition vervollständigt und das Licht erscheint uns weiß (siehe Abbildung D.8 Addition blauer und gelber Filter).

Nachbilder

Schauen wir zu lange in eine helle Lichtquelle (was für unsere Augen keine gute Idee ist) und schließen die Augen danach, erscheinen uns noch eine ganze Weile helle oder dunkle „Nachbilder“ der Lichtquelle. Diese Nachbilder sind darauf zurückzuführen, dass es zu einem Überreiz der Rezeptoren auf der Netzhaut gekommen ist und diese eine gewisse Relaxationszeit benötigen, um neue Informationen aufnehmen zu können. Dies kann sowohl für eine Sorte der Rezeptoren gelten als auch für mehrere. Für das Erscheinen solcher Nachbilder ist es wichtig, dass wir die Augen im ersten Teil nicht bewegen, so dass das Licht die ganze Zeit auf denselben Bereich der Netzhaut trifft.

 

Komplementarität + Nachbilder = Farbige Nachbilder

Empfangen einzelne Farbrezeptoren über einen längeren Zeitraum einen Reiz, kommt es zu Ermüdungserscheinungen. Blickt man beispielsweise für 20-30 Sekunden auf eine blaue Fläche, erhalten die S-Zapfen in dem entsprechenden Bereich der Netzhaut einen Reiz. Betrachten wir direkt danach eine weiße Fläche, die Wellenlängen des gesamten Spektrums in unser Auge streut, dann empfangen alle Rezeptoren in den für sie sensiblen Bereichen Lichtinformationen. Die S-Zapfen allerdings leiten aufgrund ihrer Ermüdung aber keinen Reiz an das Gehirn weiter. Das Gehirn erhält so die Information, dass im empfindlichen Bereich der S-Zapfen keine Strahlung empfangen wurde. – Als wäre der blaue Anteil des Lichts herausgefiltert worden.

 

Im Ergebnis erscheint uns die weiße Fläche als Komplementärfarbe zu Blau: in Gelb.

 

 

Beispiele für farbige Nachbilder und optische Farbtäuschungen

Richten Sie jeweils für 20 bis 30 Sekunden einen starren Blick auf den schwarzen Punkt in der untenstehenden Abbildung. Schauen Sie direkt danach auf einen weißen Untergrund. Das Bild der Abbildung sollte nun in der  Komplementärfarbe erscheinen.

Unter dem Stichwort „Nachbilder“ finden Sie viele weitere solche Abbildungen und Videos. Beispielswiese hier: https://www.youtube.com/watch?v=6nvn9pqFDvg

 

  1. optische Farbtäuschungen aufgrund der farbigen Umgebung

Andere optische Farbtäuschungen werden durch die Farben in der unmittelbaren Umgebung hervorgerufen. Die folgende Abbildung zeigt zwei verschieden farbige Kreise – scheinbar verschiedenfarbig zumindest. Denn die nächste Abbildung ohne die überliegenden Streifen offenbart: Beide Kreise haben dieselbe Farbe.

III. Beispiel von optischen Farbtäuschungen aufgrund unserer Erfahrung und Sehgewohnheit

Auch unsere Sehgewohnheiten und Farben spielen uns manchmal einen Streich in Bezug auf Farben und Helligkeiten. Die folgende Abbildung zeigt ein solches Beispiel. Welche der beiden Flächen ist die dunklere?

Blenden wir verwirrenden die optischen Informationen aus wird deutlich: Beide Flächen sind exakt gleich dunkel.

 

Eine weitere Variante ist hier genauer beschrieben:

https://www.stuttgarter-zeitung.de/inhalt.optische-taeuschung-diese-erdbeeren-sind-nicht-rot.8852539d-6bef-4aa1-9ef0-289ca0b974ff.html