Von der Lichtwelle zur Farbempfindung

Die nukleare Fusion in der Sonne erzeugt eine massive Strahlung, die von Wissenschaftlern als Wellen in einem elektromagnetischen Feld und gleichzeitig als winzig kleine Teilchen von Energie (Photonen – aus dem Griechischen φως, phos = Licht) beschrieben wird.

Unser Auge ist das Sinnesorgan für diese Strahlungsenergie. Es entwickelte sich in Verbindung zu den Oberflächen der Tiere, Pflanzen und Dinge um uns herum, die solare Strahlung absorbieren, reflektieren oder brechen.

James Maxwell und Heinrich Hertz

Im 19. Jahrhundert gelang den Physikern James Maxwell und Heinrich Hertz der Nachweis, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Elektromagnetische Wellen können durch das Vakuum reisen – anders als mechanische Wellen, die ein Medium brauchen, um ihre Energie zu transportieren. Wir kennen elekromagnetische Wellen vom Radio und von der Mikrowelle, die das Essen warm macht. Während diese Wellen unsichtbar sind, handelt es sich bei Licht um etwas Sichtbares. Tatsächlich unterscheidet sich eine Lichtwelle von einer Radiowelle oder einer Mikrowelle nicht in ihrer Natur, sondern nur durch die Wellenlänge bzw. Frequenz. UKW-Radio liegt in einem Frequenzbereich zwischen 87.5 und 108.0 Megahertz. Wellen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 30.000 Hz kennt auch jeder: Schallwellen.

Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist nur ein kleiner Ausschnitt des Bereichs, der als Licht bezeichnet wird und liegt bei einer Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern. Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist nur ein kleiner Ausschnitt des Bereichs, der als Licht bezeichnet wird und liegt bei einer Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern.

Eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 380 Nanometer wird vom Auge als sichtbares violettes Licht wahrgenommen, bei einer Wellenlänge von 780 Nanometern nehmen wir rotes Licht wahr. Dazwischen befindet sich das gesamte sichtbare Farbspektrum von Violett über Blau, Grün, Gelb, Orange bis zu Rot. Eine bestimmte Wellenlänge entspricht einer bestimmten Farbe.

Maxwell extrahierte 1861 mit einer speziellen Kamera und drei verschiedenen Filtern das rote, blaue und grüne Licht aus dem reflektierten polychromatischen Licht einer Szene. Die so entstandenen Filme projezierte er auf dieselbe weiße Fläche. Auf der Wand entstand eine korrekte Reproduktion der ursprünglichen farbigen Szene und Maxwell konnte so beweisen, dass jede Farbe (näherungsweise) durch Licht aus drei Wellenlängen reproduziert werden kann.

Von der Lichtwelle zur Farbe

Ein menschliches Haar ist etwa 0.09 mm dick – eine Lichtwelle ist nur 1/2000 so lang wie ein Haar dick ist.

Die Entfernung zwischen den hohen Stellen einer elektromagnetischen Welle wird als Wellenlänge (mit dem Symbol λ) bezeichnet und in Nanometern gemessen. Nanometer sind Milliardstel eines Meters 1 nm = 10−9 m.

Die Wellenlängen des Lichts
Rot hat eine längere Wellenlänge – eine niedrigere Frequenz – als Blau.

Wenn Licht ein transparentes Medium durchquert, werden die Wellenlängen leicht komprimiert (dadurch entsteht der leichte Blaustich) und die Geschwindigkeit des Lichts läßt leicht nach. Dadurch kommt die charakteristische Brechung des Lichts an den Grenzen zwischen zwei Medien wie Luft und Wasser oder Glas zustande.

Wellenlänge (λ)

Die Wellenlänge λ (wavelength) gibt die Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten einer periodischen Welle an.

Das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz gibt die Geschwindigkeit der Welle an; im Vakuum ist die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle konstant und somit unabhängig von Wellenlänge und Amplitude. Die Geschwindigkeit verringert sich auf c/n, wenn sich die Welle in einem anderen Medium als dem Vakuum ausbreitet (n bezeichnet den Brechungsindex dieses Mediums).