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Farben in der Physik: Licht und Farbmischung
Farbe entsteht, wenn Licht auf deine Netzhaut trifft und dein Gehirn die Signale der Sinneszellen verarbeitet. Welche Farbe du wahrnimmst, hängt deshalb vom einfallenden Licht, vom Gegenstand und von deinem Sehsystem ab.
Auf dieser Seite unterscheidest du Körperfarben von Lichtfarben, vergleichst additive und subtraktive Farbmischung und erklärst, wie ein Prisma weißes Licht in ein Spektrum zerlegt.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie entsteht ein Farbeindruck?
Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Unterschiedliche Bereiche des sichtbaren Lichts lösen unterschiedliche Farbeindrücke aus. Wenn im Alltag von „rotem Licht“ gesprochen wird, ist damit verkürzt gemeint: Licht, das bei uns den Farbeindruck Rot hervorruft.
Auf der Netzhaut liegen lichtempfindliche Sinneszellen:
- Stäbchen reagieren besonders empfindlich auf Helligkeit und helfen beim Sehen in der Dämmerung.
- Zapfen ermöglichen das Farbsehen. Menschen besitzen drei Zapfentypen, deren Empfindlichkeitsbereiche sich überschneiden.
Das Gehirn vergleicht, wie stark die verschiedenen Zapfentypen angeregt werden. Aus diesem gemeinsamen Erregungsmuster entsteht der Farbeindruck.
Farbeindruck
Ein Farbeindruck ist die Wahrnehmung, die das Gehirn aus den Signalen der lichtempfindlichen Sinneszellen bildet. Er ist nicht allein eine Eigenschaft des Lichts oder eines Gegenstands.
Licht aus dem roten und dem grünen Spektralbereich kann die Zapfen so anregen, dass du Gelb wahrnimmst. Ein ähnlicher Farbeindruck kann auch durch Licht aus dem gelben Spektralbereich entstehen. Das Auge kann beide Fälle allein anhand des Farbeindrucks nicht sicher unterscheiden.
Magenta zeigt besonders deutlich, dass Farbe eine Wahrnehmung ist: Werden Zapfen für den roten und den blauen Bereich gleichzeitig stark angeregt, entsteht der Eindruck Magenta. Im Spektrum eines Prismas gibt es jedoch keine einzelne Spektralfarbe Magenta.
Warum haben Gegenstände eine Farbe?
Ein nicht selbst leuchtender Gegenstand ist sichtbar, weil Licht auf ihn fällt und wenigstens teilweise in dein Auge reflektiert wird. Reflexion bedeutet hier, dass Licht von der Oberfläche zurückgeworfen wird. Absorption bedeutet, dass die Oberfläche Lichtanteile aufnimmt.
Welche Körperfarbe du wahrnimmst, entsteht in einer Kette:
- Eine Lichtquelle beleuchtet den Gegenstand.
- Die Oberfläche absorbiert bestimmte Anteile des Lichts.
- Andere Anteile werden reflektiert.
- Das reflektierte Licht trifft auf die Netzhaut.
- Auge und Gehirn erzeugen daraus einen Farbeindruck.
Körperfarbe
Die Körperfarbe ist der Farbeindruck eines beleuchteten Gegenstands. Sie hängt sowohl von den Eigenschaften seiner Oberfläche als auch vom vorhandenen Beleuchtungslicht ab.
Ein Blatt erscheint bei weißem Licht grün, weil sein Blattgrün einen größeren Anteil des grünen Lichts reflektiert und andere Lichtanteile stärker absorbiert. Das reflektierte Licht gelangt in dein Auge.
Ein ideal weißer Körper reflektiert die sichtbaren Lichtanteile ungefähr gleichmäßig. Ein schwarzer Körper reflektiert kaum Licht. In völliger Dunkelheit sind beide nicht zu erkennen, weil kein Licht vorhanden ist, das sie in dein Auge reflektieren könnten.
Die Körperfarbe kann sich unter farbiger Beleuchtung verändern. Ein roter Gegenstand wirkt im vereinfachten Modell unter blauem Licht sehr dunkel: Das Licht enthält keinen roten Anteil, den die Oberfläche gut reflektieren könnte. Weißes Papier nimmt dagegen ungefähr die Farbe des Beleuchtungslichts an.
Eine Oberfläche kann nur Lichtanteile reflektieren, die in der Beleuchtung vorhanden sind.
Wie werden Lichtfarben additiv gemischt?
Bei der additiven Farbmischung überlagert sich Licht. Ihre Grundfarben sind Rot, Grün und Blau, kurz RGB. Je mehr geeignetes Licht zusammenkommt, desto heller kann der Eindruck werden.
Additive Farbmischung
Bei der additiven Farbmischung treffen mehrere Lichtanteile gemeinsam ins Auge. Ihre Wirkungen auf die Zapfen werden zu einem Farbeindruck verbunden.
Im idealisierten RGB-Modell gilt:
| Gemischtes Licht | Farbeindruck |
|---|---|
| Rot und Grün | Gelb |
| Grün und Blau | Cyan |
| Rot und Blau | Magenta |
| Rot, Grün und Blau in geeigneter Stärke | Weiß |
Ein Bildschirm besitzt sehr kleine rote, grüne und blaue Leuchtbereiche. Senden rote und grüne Bereiche dicht nebeneinander geeignet starkes Licht aus, nimmt dein Auge die einzelnen Bereiche aus normalem Abstand nicht getrennt wahr. Es entsteht der gemeinsame Eindruck Gelb.
Die Lichtanteile werden dabei nicht in neue Wellenlängen umgewandelt. Sie treffen gemeinsam ins Auge und erzeugen dort ein kombiniertes Erregungsmuster.
Wie werden Pigmente subtraktiv gemischt?
Malfarben, Druckfarben und Farbfilter senden normalerweise kein eigenes Licht aus. Sie absorbieren Teile des einfallenden Lichts. Deshalb heißt ihr physikalisches Mischprinzip subtraktive Farbmischung: Mit jeder zusätzlichen idealen Druckfarbe werden weitere Lichtanteile abgezogen.
Subtraktive Farbmischung
Bei der subtraktiven Farbmischung entfernen Farbstoffe oder Filter durch Absorption bestimmte Anteile aus dem einfallenden Licht. Die verbleibenden Anteile bestimmen den Farbeindruck.
Für den Farbdruck verwendet man das idealisierte CMY-Modell mit Cyan, Magenta und Gelb:
| Gemischte Druckfarben | Ergebnis im idealisierten Modell |
|---|---|
| Cyan und Gelb | Grün |
| Magenta und Gelb | Rot |
| Magenta und Cyan | Blau |
| Cyan, Magenta und Gelb | Schwarz |
Reale Druckfarben ergeben zusammen meist kein tiefes Schwarz. Drucker ergänzen deshalb gewöhnlich schwarze Farbe. Weiß entsteht beim normalen Drucken nicht durch eine Mischung: Die entsprechende Fläche des weißen Papiers bleibt frei.
Auf eine Stelle des weißen Papiers werden Cyan und Gelb gedruckt. Beide Farbstoffe absorbieren Lichtanteile. Im idealisierten Modell bleibt vor allem der Anteil übrig, der den Eindruck Grün hervorruft. Die Stelle erscheint deshalb grün und dunkler als das unbedruckte Papier.
Im Kunstunterricht begegnet dir außerdem häufig das vereinfachte Malfarbenmodell mit Rot, Gelb und Blau. Damit lassen sich etwa Orange, Grün und Violett mischen. Dieses traditionelle Modell und das CMY-Modell benutzen unterschiedliche Grundfarben. Für die physikalische Beschreibung des Farbdrucks ist CMY das passendere Modell.
Wie entstehen Spektrum und Regenbogen?
Weißes Licht kann viele sichtbare Spektralanteile enthalten. Trifft es auf ein Prisma, wird es beim Eintritt und beim Austritt gebrochen. Brechung ist die Richtungsänderung von Licht beim Übergang zwischen unterschiedlichen optischen Medien.
Die Spektralanteile werden unterschiedlich stark abgelenkt. Dadurch wird das weiße Licht räumlich aufgefächert. Auf einem Schirm erscheint ein farbiges Band: das Spektrum. Rotes Licht wird dabei schwächer, violettes Licht stärker abgelenkt.
Spektrum
Ein Spektrum ist die geordnete Darstellung der in einem Lichtgemisch enthaltenen Spektralanteile. Beim Prisma werden sie durch ihre unterschiedliche Ablenkung räumlich getrennt sichtbar.
Fällt weißes Licht durch ein Prisma auf einen Schirm, erscheint hinter dem Prisma kein einzelner weißer Fleck. Stattdessen siehst du ein farbiges Band. Das Prisma erzeugt die Farben nicht neu, sondern trennt Anteile, die bereits im einfallenden Licht enthalten sind.
Ein Regenbogen beruht ebenfalls auf der unterschiedlichen Ablenkung der Spektralanteile. Sonnenlicht wird beim Eintritt in Regentropfen gebrochen, an deren Rückseite reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen. Viele Tropfen senden dabei unterschiedliche Spektralanteile aus passenden Richtungen in dein Auge. Deshalb siehst du einen Bogen mit Rot außen beziehungsweise oben und Violett innen beziehungsweise unten.
Damit du einen Regenbogen beobachten kannst, müssen Sonnenlicht und Regentropfen gleichzeitig vorhanden sein. Du stehst dabei zwischen Sonne und Regen; die Sonne befindet sich hinter dir.
Schaue niemals direkt in die Sonne. Ihre große Helligkeit kann die Netzhaut schädigen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Farben
- Wahrnehmung: Zapfen liefern Signale, das Gehirn erzeugt den Farbeindruck
- Körperfarbe: Beleuchtung, Absorption und Reflexion wirken zusammen
- Additive Mischung: RGB-Licht wird überlagert und kann Weiß ergeben
- Subtraktive Mischung: CMY-Farbstoffe absorbieren Lichtanteile
- Spektrum: Ein Prisma trennt Anteile des weißen Lichts
- Regenbogen: Brechung und Reflexion in vielen Tropfen trennen Sonnenlicht
Abschluss-Check
Wenn du jede Antwort begründen kannst, beherrschst du den entscheidenden Zusammenhang: Farbe entsteht aus dem Zusammenspiel von Licht, Materie und Wahrnehmung.