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Licht und Farben

Licht als elektromagnetische Welle

Licht hat in der Physik zwei Gestalten. Zum einen ist es Teilchen (Photon) zum anderen elektromagnetische Welle. Je nachdem, welches Modell ein bestimmtes Lichtphänomen besserer beschreibt, wird die Photonen- oder die Wellentheorie verwendet.

Animation zur Welle
Für die nächsten Kapitel wird die Wellentheorie verwendet: Licht ist also eine elektromagnetische Welle. Als Welle hat Licht ganz bestimmte Eigenschaften. Dazu zählen:

Zwischen den dreien herrscht folgender Zusammenhang: f = c / λ oder grafisch: Animation zur Welle in obigen Bild.
Die Lichtgeschwindigkeit ist vom Medium abhängig, in dem sich das Licht bewegt. In Luft ist sie ca. 300.000.000 m/s. Sie sagt aus, wie schnell sich Licht ausbreitet. Im Vergleich zum Schall (in Luft ca. 340 m/s) ist das rasend schnell. Die Lichtgeschwindigkeit ist die oberste Grenze für Geschwindigkeiten in der Physik, so wie wir sie heute kennen. Nichts ist schneller.

Größen einer Welle
Größen einer Welle

Die Wellenlänge, und damit auch die Frequenz, bestimmen die Farbe des Lichtes.
Reines blaues Licht hat eine Wellenlänge von λ = 400nm und damit eine Frequenz von f = c / λ = 300.000.000 m/s / 400 nm = 750 THz (Tera Hertz). Wobei die Angabe der Frequenz in der Optik weniger gebräuchlich ist.
Der Bereich sichtbaren Lichts geht ca. von 380 nm bis 780 nm (750 THz bis 430 THz). Ist die Wellenlänge kleiner als 380 nm, nennt man das Licht Ultraviolett (UV), über 780 nm Infrarot (IR).
Diese beiden "Farben" kann man zwar nicht sehen, aber IR kann man durch Elektronik oder Chemie sichtbar machen. So gibt es einen sog. Infrarotfilm, bzw. können digitale Kameras diesen Bereich sichtbar machen. Dies ist nötig, um damit z.B. Nachtaufnahmen ohne blendende Scheinwerfer oder Blitzlicht machen zu können.

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Farben

Der Bereich sichtbaren Lichtes geht, wie erwähnt, von 380 nm bis 780 nm. Wobei Licht mit 380 nm als Blau-Violett und Licht mit 780 nm als Rot empfunden wird. Dazwischen liegen die Farben:

Das Spektrum des sichtbaren Lichts
Das Spektrum des sichtbaren Lichts

Licht mit Wellenlängen größer 780 nm nennt man Infrarot und kleiner 380 nm Ultraviolett.
Trifft Licht einer Wellenlänge auf das Auge, kann die entsprechende Farbe erkannt werden. Mischungen von Licht verschiedener Wellenlängen erzeugen andere Farbeindrücke. Eine Mischung aus Licht aller Wellenlängen und gleicher Intensität sieht weiß aus. Außerdem fällt auf, dass es z.B. die Farbe Magenta nicht im Spektrum des Lichts gibt. Diese Farbe und deren Abstufungen werden nur durch die Mischung von Blau und Rot im Gehirn erzeugt. Mehr dazu unter Der Mensch - Licht und Farben.

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Helligkeit

Die Helligkeit einer Farbe sagt aus, wie stark die lichtempfindlichen Zellen in unserem Auge angesprochen werden. Dies hängt physikalisch von der Menge des Lichts ab, welches auf unser Auge trifft. Dafür gibt es physikalische Einheiten:

Candela

die Lichtstärke
Formelzeichen IV
Einheit cd
Definition Ein Punktstrahler, der mit einer Leistung von 0,018 Watt Licht von der Wellenlänge 555 nm abstrahlt hat die Lichtstärke 1 cd.
Beispiel Eine Haushaltskerze hat eine Lichtstärke von ca. 1 cd.

Lumen

Der Lichtstrom
Formelzeichen Φ
Einheit lm
Definition Ein Punktstrahler mit der Lichtstärke 1 cd sendet einen Lichtstrom von 12,57 lm in alle Richtungen aus. 1 lm ist der Lichtstrom, den eine Lichtquelle mit Lichtstärke 1 cd pro Raumwinkel 1 Steriad abstrahlt. Die Oberfläche der Einheitskugel (Radius 1) beträgt 4π, was ungefähr 12,57 entspricht. Ein Steriad ist der Raumwinkel, der die Fläche 1 auf der Kugel umschließt.
Beispiel Eine Haushaltskerze erzeugt somit ca. 13 lm.

Lux

Die Beleuchtungsstärke
Formelzeichen E
Einheit Lx = lm/m2
Definition E=Phi/A
Die Beleuchtungsstärke gibt als an, wie viel Lichtstrom Φ einer Lichtquelle pro Flächeneinheit einer Empfängerfläche A ankommt.
Beispiele: Sonniger Tag: 100000 lx
Bedeckte Himmel: 20000 lx
Raumbeleuchtung: 500 - 100 lx
Mondlicht: 0,25 lx
Sternklare Nacht: 0,001 lx

Luxsekunden

Die Belichtung
Formelzeichenn H
Einheit lxs
Definition Die Belichtung ist die Zeit in der eine gewisse Beleuchtungsstärke auf einen Empfänger (Film, Sensor) einwirkt.
cd, lm, lx
Alle drei Lichteinheiten in einem Bild

Anhand dieses Bildes kann man die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Größen erklären. Das geschieht am besten wieder anhand eines Beispiels: Eine Kerze hat eine Lichtstärke IV von ca. 1 cd. Damit erzeugt sie einen Lichtstrom Φ von insgesamt 4π lm. Dies bedeutet, dass in 1 m Entfernung von der Kerze, ein Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von 1 m2 trifft. Eine Fläche mit 0,8 m2 in 1,5 m Entfernung erfährt somit einen Lichtstrom von ...
Oberfläche einer Kugel mit Radius 1,5 m:
A = 28,28 m^2
Lichtstrom auf der Fläche:
Phi = 0,36 lm
Beleuchtungsstärke der Fläche:
E = 0,44 lx
Man kann die Rechnung noch vereinfachen:
E = 0,44 lx

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Farbtemperatur

Jeder wird schon mal Bilder mit einem Farbstich gesehen haben. Diese entstehen z.B. wenn man eine normalen Tageslichtfilm bei Kunstlicht einsetzt oder die Digitalkamera einen falschen Weißabgleich verwendet. Dabei entstehen Bilder, die entweder zu rot oder zu blau erscheinen. Dies liegt daran, dass je nach Lichtquelle, sich das Verhältnis der Farbanteile Rot, Grün und Blau in der Beleuchtung verändert.
Dieses Verhältnis kann man durch die Angabe der Verteilungs- bzw. Farbtemperatur in K (Kelvin: 0K = -273 °C) quantifizieren.
Um die Zusammenhänge besser verstehen zu können, ist ein kurzer Ausflug in die Physik nötig:

Planckscher bzw. schwarzer Strahler

Dabei handelt es sich um einen erhitzbaren Hohlkörper, welcher durch eine kleine Öffnung Strahlung nach außen abgeben kann. Für diesen Strahler gilt das Plancksche Strahlungsgesetz.

Plancksches Strahlungsgesetz

Dieses gilt für alle elektro-magnetischen Strahlungen und sagt aus, wie sich die Strahlungsintensität eines schwarzen Strahlers bei einer bestimmten Temperatur im Spektrum verteilt.
Also im Prinzip, wie hoch die Intensität bei bestimmten Wellenlängen ist:

L(Lambda, T) L: Strahlungsintensität als Funktion von λ und T
c: Lichtgeschwindigkeit
λ: Wellenlänge
h: Plancksches Wirkungsquantum
k: Bolzmannkonstante
T: absolute Temperatur

Plancksches Strahlungsgesetz

Aus folgendem Bild kann man erkennen, dass umso geringer die Temperatur des schwarzen Strahlers ist, desto weiter rechts liegt das Maximum der Strahlungsintensität und desto geringer ist der Blauanteil bzw. desto höher ist der Rotanteil des Strahlungsspektrums.
Die im Bild angegebene Temperatur ist die Temperatur des schwarzen Strahlers und daneben stehen Lichtquellen, die ein vergleichbares Spektrum erzeugen.

Diagramm für L(Lambda, T)
Spektrale Intensitätsverteilung bei verschiedenen Temperaturen

Leuchtstoffröhren

Leuchtstoffröhren erzeugen Licht nicht durch Wärme und die Braunsche Molekularbewegung sonder mit Hilfe von Elektronenübergängen. Im Inneren einer Leuchtstoffröhre befindet Gas (hauptsächlich Quecksilber) zwischen zwei Elektroden. Wenn an den Elektroden Spannung anliegt, bildet sich im Inneren der Röhre ein Plasma, welches fast ausschließlich UV-Strahlung abstrahlt. Mit Hilfe dieser wird eine Leuchtschicht, die im Inneren der Röhre aufgedampft ist, zum Leuchten gebracht. Deswegen werden diese Lichtquellen auch Leuchtstoffröhren genannt. Je nachdem, wie diese Leuchtschicht beschaffen ist, ergibt sich eine andere spektrale Zusammensetzung des emittierten Lichtes. Deswegen ist eine Farbtemperaturangabe bei einer Leuchtstoffröhre nur eine Näherungsweise Angabe. Bei sog. Schwarzlichtlampen fehlt diese Leuchtschicht und diese Strahlung bleibt erstmal unsichtbar, bis sie auf helle oder weiße Gegenstände trifft.

Temperaturstrahler

Temperaturstrahler sind alle Lichtquellen, welche durch Wärme Licht erzeugen (Glühlampen usw.). Diese strahlen je nach Temperatur Licht aus, welches ein bestimmtes Verhältnis im roten und blauen Anteil hat.
Daher kann man in diesem Fall auch von einer Verteilungstemperatur sprechen.

Technischer Strahler

Die Farbtemperatur einer Lichtquelle gibt an, bei welcher Temperatur ein Planckscher (schwarzer) Strahler ein vergleichbares Lichtspektrum abstrahlt.
Die Einheit ist K (Kelvin), wobei 0 K = -273 °C gilt, wobei die Schrittweite gleich bleibt, also: 10°C +20 K = 30 °C.

Strahler (Lichtquellen) für die das Plancksche Gesetz nicht gilt, also alle alltäglichen Lichtquellen. Bei diesen Lichtquellen kann man eigentlich keine Farbtemperatur angeben, da sie Licht mit einer spektralen Verteilung erzeugen, welche nicht mit einem Planckschen Strahler identisch ist.
Um solchen dies aber trotzdem machen zu können, wählt man die dem Spektrum ähnlichste Verteilung und kann somit dem Strahler eine Farbtemperatur zu ordnen.

Beispiele für Farbtemperaturen

Bei niedrigen Temperaturen wird hauptsächlich rotes Licht, bei hohen Temperaturen blaues Licht abgestrahlt.
Typische Farbtemperaturen sind:

Lichtquelle Farbtemperatur
Blauer Himmel > 10000 K
Schattig 7500 K
Bewölkter Himmel 6500 K
Gebirge 6500 K
Tageslicht 5600 K
Elektronenblitz 5500 K
Sonnenlicht am Morgen/ Abend 5000 K
Halogenleuchte 3400 K
Glühlampe 2600 K
Kerze 1500 K
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