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Kai Jerzö
‘Jerzovskaja’
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★ Wahrnehmen und Gestalten ★
Farbe (3): Physik und Optik
Die Optik ist ein zentrales Teilgebiet der Physik und essenziell für das Verständnis des Sehens und der Farbenlehre. Dieses Kapitel widmet sich den physikalischen Grundlagen des Lichts und dessen Einfluss auf die Farbwahrnehmung.
Licht und Farbe
Zur Beschreibung von Licht und Farbe werden zwei grundlegende Modelle verwendet: das Teilchenmodell und das Wellenmodell. Beide sind essenziell, um die physikalischen Eigenschaften von Licht und dessen Wechselwirkungen zu verstehen.
A. Licht als Teilchen – Das Teilchenmodell
Isaac Newton (1643–1727) zeigt 1676 experimentell, dass weißes Licht in sieben Spektralfarben – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett – zerlegt werden kann. Er beschreibt Licht als winzige Teilchen (sogenannte Korpuskeln), die sich geradlinig bewegen. Reflexion und Brechung erklärt Newton durch die Wechselwirkung dieser Teilchen mit Oberflächen.
Das Teilchenmodell kann jedoch Phänomene wie Interferenz und Beugung nicht erklären, die typisch für Wellen sind.
B. Licht als Welle – Das Wellenmodell
Christiaan Huygens (1629–1695) entwickelt das Wellenmodell, wonach sich Licht als Welle in einem hypothetischen “Äther” ausbreitet. Licht verhält sich demnach wie eine elektromagnetische Welle, die sich überlagert und verstärkt oder auslöscht.
Thomas Young (1773–1829) beweist mit dem Doppelspalt-Experiment 1801, dass Licht Interferenzmuster erzeugt – ein Beleg für seine Wellennatur. Licht kann demnach als elektromagnetische Welle beschrieben werden, die sich überlagern und gegenseitig verstärken oder auslöschen kann.
C. Farbensehen – Die Trichromatische Theorie
Thomas Young formuliert 1827 die Hypothese, dass die menschliche Farbwahrnehmung auf drei Rezeptortypen im Auge beruht, die jeweils auf Rot, Grün und Blauviolett empfindlich reagieren. Licht unterschiedlicher Wellenlängen wird als verschiedene Farben wahrgenommen, während die Mischung dieser Grundfarben alle weiteren Farbempfindungen hervorruft.
D. Licht als Quantenphänomen – Der Welle-Teilchen-Dualismus
Die Arbeiten von Newton und Young legen die Grundlage für das heutige Verständnis von Licht. James Clerk Maxwell beweist 1865, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, die keinen Äther benötigt.
Albert Einstein zeigt 1905, dass Licht auch Teilcheneigenschaften besitzt, und führt den Begriff des “Photons” ein, um die quantenhafte Natur von Licht zu erklären. Ein Photon ist ein Lichtteilchen – die kleinste Einheit oder ein “Quant” von Licht – und anderer elektromagnetischer Strahlung, das eine bestimmte Menge an Energie trägt und auf diese Weise mit Materie interagiert. Je nachdem, wie es beobachtet wird, zeigt das Photon entweder Eigenschaften einer Welle oder eines Teilchens – ein Phänomen, das als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird.
Photonen besitzen keine festen Eigenschaften. Sie können je nach Experiment entweder als Welle (bei Interferenz und Beugung) oder als Teilchen (bei der Wechselwirkung mit Materie) erscheinen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich das Photon zwischen den beiden Zuständen „wechseln“ würde, sondern dass die Art seiner Wechselwirkung mit der Umgebung davon abhängt, wie es gemessen wird.
Ein faszinierender Aspekt dabei ist, dass der Zustand eines Photons bis zu seiner Messung unbestimmt bleibt. Der Beobachtungsprozess kann diesen Zustand beeinflussen – was als Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik bezeichnet wird. In gewissem Sinne könnte man sagen, dass der Zustand eines Photons erst durch die Messung „festgelegt“ wird. Allerdings bleibt unklar, ob die beobachtete Energie nur durch den Prozess der Messung selbst „entsteht“.
Licht wird daher als ein Phänomen beschrieben, das keine festen, klassischen Eigenschaften besitzt, sondern sich je nach Messung anders verhält – ein kontinuierlicher, dynamischer Zustand von Unbestimmtheit und Interaktion.
Einstein nutzt das Konzept der Photonen, um zu erklären, warum Licht mit bestimmten Wellenlängen Elektronen aus einer Metalloberfläche herauslösen kann, während Licht mit anderen Wellenlängen dies nicht vermag. Die Energie eines Photons hängt direkt von seiner Wellenlänge ab: Kürzere Wellenlängen (z. B. UV-Licht) tragen mehr Energie pro Photon als längere Wellenlängen (z. B. Infrarotlicht).
Sichtbares Licht – Das elektromagnetische Spektrum
[ Abb. 1: Tabellarische Darstellung: Wellenlängenbereiche im elektromagnetischen Spektrum, einschließlich des sichtbaren Lichts (380–750 nm), Abb. 2: Prisma: Schematische Darstellung der Lichtbrechung und Aufspaltung in Spektralfarben, Abb. 3: Spektrum des Regenbogens: Darstellung der durch das Auge sichtbaren Farben im Bereich von Blauviolett bis Rot. ]
Der Bereich des sichtbaren Lichts
Das elektromagnetische Spektrum umfasst Wellenlängen von sehr kurzwelligen kosmischen Strahlen bis hin zu langwelligen Radiowellen. Der Bereich des sichtbaren Lichts, der für das menschliche Auge wahrnehmbar ist, nimmt dabei nur einen kleinen Bereich zwischen den Infrarot-Wärmestrahlen und der ultravioletten Strahlung ein und erstreckt sich von ca. 380 nm (Blauviolett) bis ca. 750 nm (Rot).
Farbwahrnehmung und Wellenlänge
- Blauviolett: ca. 380–450 nm (kurzwellig)
- Grün: ca. 500–570 nm
- Rot: ca. 700–750 nm (langwellig)
Jede Wellenlänge wird durch die spezifische Reizung der Rezeptoren (Sehzellen) im Auge als eine bestimmte Farbe wahrgenommen.
Lichtbrechung und Spektralfarben
Die Aufspaltung von weißem Licht in seine Spektralfarben wird sichtbar, wenn es durch ein Prisma oder Wassertropfen gebrochen wird, wie beispielsweise bei einem Regenbogen. Die Spektralfarben sind spektralrein und können nicht weiter zerlegt werden.
Beim Durchgang durch ein Prisma wird Licht zweimal gebrochen – einmal beim Eintritt und einmal beim Austritt. Da verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark abgelenkt werden, entsteht ein kontinuierliches Spektrum. Dieses Spektrum umfasst etwa 300 Farbnuancen, was zeigt, dass weißes Licht eine Mischung aller Wellenlängen ist.
Frequenzbereiche im elektromagnetischen Spektrum
Von kurz- zu langwellig geordnet:
- Kosmische Strahlung
- Gammastrahlung
- Röntgenstrahlung
- Ultraviolette Strahlung
- Sichtbares Licht (“Spektrum”)
- Infrarotstrahlung
- Mikrowellen
- Ultrakurzwellen
- Kurzwellen
- Mittelwellen
- Langwellen
Zusammenfassung
Licht zeigt sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften und kann als Quantenphänomen beschrieben werden. Die Farbwahrnehmung basiert auf der Absorption spezifischer Wellenlängen durch die Rezeptoren im Auge sowie deren Verarbeitung im Gehirn. Die Optik verbindet physikalische, physiologische und mathematische Ansätze, um das Phänomen Licht und seine farbliche Wahrnehmung zu erklären.
– KAI
© Kai Jerzö, 7. Dezember 2024 –
Quellenangabe
Zitat? Ja, gerne, wie folgt:
– Jerzö, Kai (2024): ‘Wahrnehmen und Gestalten – Kompetenzbereich Farbe: Physik und Optik.’ 2024-12-07. In: Illustration.world-Blog, 2024-12-07. URL: https://illustration.world/design_competence_colour_3_de/ .
