Beitrag von Herr Dr. Ralf Kurtenbach, Fakultät für Mathematik und

Ü-55 Forschertage;
Fragen und Experimente zum
Thema:
Licht und Farben
Ü-55 Forschertage 24.-25.09.2015, Dr. Ralf Kurtenbach, Physikalische und Theoretische Chemie
Wie kann man Licht erzeugen?
Wie entsteht der Regenbogen?
Warum ist der Himmel blau und die Sonne
beim Sonnenuntergang rot?
Wie entstehen die Farben am Farbbildschirm?
Warum sind Körper farbig?
Woraus bestehen die Farben?
Welche Farbe hat Rotkohlsaft?
Wie leuchtet ein Glühwürmchen?
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Wie kann man Licht erzeugen?
1 Nanometer (nm), das sind 10-9 (0,000000001) m
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Wie kann man Licht erzeugen?
Thermische Lichtquellen:
Eine sehr alte und natürliche Methode zur Erzeugung von
sichtbarem Licht ist das Erhitzen eines Stoffes auf einen sehr
hohe Temperatur.
Die Sonne ist die größte und
älteste Lichtquelle der Erde,
sie erhitzt sich durch
Kernschmelze auf ca. 6000 oC
Oberflächentemperatur und
strahlt daher als so genannter
„idealer Schwarzer Strahler“
Licht aus.
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Wie kann man Licht erzeugen?
Thermische Lichtquellen:
Bei der Kerze wird in der
Flamme durch chemische
Reaktionen unter anderem Ruß
zum Glühen gebracht und
dieser strahlt dann Licht aus.
Die blaue Farbe kommt von
CH-Radikalen die bei etwa
400 nm Licht emittieren.
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Wie kann man Licht erzeugen?
Thermische Lichtquellen:
Bei der Glühlampe, wie es
schon der Name sagt, wird ein
Metalldraht durch Stromfluss
zum Glühen gebracht und
strahlt wie die Sonne Licht aus.
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Wie kann man Licht erzeugen?
Thermische Lichtquellen:
Je nach Farbe kann man der thermischen Lichtquelle
eine Farbtemperatur zuordnen.
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Wie kann man Licht erzeugen?
Nichtthermische Lichtquellen:
Bei der Leuchtstoffröhre,
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Wie kann man Licht erzeugen?
Nichtthermische Lichtquellen:
der Leuchtdiode (LED),
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Wie kann man Licht erzeugen?
Nichtthermische Lichtquellen:
dem Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von
Strahlung“),
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Wie kann man Licht erzeugen?
Nichtthermische Lichtquellen:
Bei nichtthermischen Lichtquellen strahlen Elektronen beim
Energieübergang Licht aus und sind daher in der Regel auch
nicht heiß. Energieschema eines Helium-Neon-Lasers. Die Rote
sichtbare Farbe kommt von der Lichtemission bei etwa 633 nm.
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Wie kann man Licht erzeugen?
Bei dem folgenden Experiment sollen verschiedene Lichtquellen,
wie Taschenlampe, Kerzenflamme, LED, Leuchtstoffröhre auf ihre
Lichtabstrahlung untersucht werden. Dazu wird ein Spektrum,
d.h. die Lichtstärke (Intensität) der Strahlung in Abhängigkeit von
der Wellenlänge (Farbe) mit einem Spektrometer aufgezeichnet.
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Wie entsteht der Regenbogen?
Trifft Licht im Bereich von
400 bis 700 nm auf einen
Regentropfen, so wird das
Licht im Regentropfen
aufgrund unterschiedlicher
Lichtbrechung, in die
Farben blau, grün, gelb,
orange und rot aufgespaltet.
Es entsteht immer ein
„starker“ Haupt- und einen
„schwacher“ Nebenregenbogen.
Im Hauptregenbogen liegt
dabei die Farbe, rot außen
und die Farbe, blau innen.
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Wie entsteht der Regenbogen?
Ursache für den Farbverlauf
ist die Lichtspiegelung im
Regentropfen, daher liegt
beim Hauptregenbogen die
Farbe rot beim Austritt aus
dem Tropfen unten. Durch
die Betrachtungsweise liegt
aber im Regenbogen die
Farbe blau innen und die
Farbe rot außen.
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Wie entsteht der Regenbogen?
Der Nebenregenbogen entsteht durch einen anderen
Strahlenverlauf im Regentropfen und damit verbundener
Doppelspiegelung. Dadurch liegt die Farbe blau beim Austritt aus
dem Tropfen unten und somit liegt beim betrachten nun die Farbe
rot innen und die Farbe blau außen.
Nebenregenbogen
Hauptregenbogen
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Wie entsteht der Regenbogen?
Bei diesem Experiment wird weißes Licht von einer Glühlampe
(Halogenlampe) auf ein Prisma bzw. CD (Regentropfen) gestrahlt
und die austretenden Lichtstrahlen (Farben) auf eine weiße
Wand geleitet. Es entsteht ein „Hauptregenbogen“
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Warum ist der Himmel blau und die
Sonne beim Sonnenuntergang rot?
Unsere Erdatmosphäre besteht aus vielen kleinen Teilchen
(Molekülen), wie z. B. Sauerstoff und Stickstoff. Wenn Sonnenlicht
am Tag direkt auf diese Teilchen trifft, wird das Licht aufgeteilt und
dabei wird das blaue Licht wird am stärksten gestreut und jagt
kreuz und quer durch den Himmel. Daher erscheint der Himmel
am Tag blau.
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Warum ist der Himmel blau und die
Sonne beim Sonnenuntergang rot?
Beim Sonnenuntergang scheint die Sonne von der Seite, das
Licht legt dabei einen längeren Weg durch die Erdatmosphäre
zurück. Das blaue Licht wird auf dem langen Weg herausgestreut
und gelbrötliches Licht bleibt übrig. Daher erscheint die Sonne
bzw. die angestrahlten Wolken in einer gelbrötliche Farbe.
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Wie entstehen die Farben am
Farbbildschirm?
Durch Mischen von
verschiedenen Lichtfarben
(Lichter) kann man neue
Lichtfarben erzeugen.
Man spricht daher auch von
einer Farbaddition (Additive
Farbmischung).
Mischt man z. B. grünes und
rotes Licht, so erhält man
gelbes Licht.
+
=
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Wie entstehen die Farben am
Farbbildschirm?
Der gleiche Effekt findet beim Farbbildschirm statt. Dort hat man
jeweils die drei Farblichtquellen, Rot, Grün und Blau sehr nah
aneinander angebracht und erzeugt so durch Mischen der drei
Farben verschiedene Farbtöne.
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Wie entstehen die Farben am
Farbbildschirm?
Bei folgendem Experiment kann man mit Hilfe von drei
Farblichtquellen, Rot, Grün und Blau in einer Farbmischbox, die
drei Farben mischen und wie auf dem Farbbildschirm,
verschiedene Farben erzeugen.
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Warum sind Körper farbig?
Trifft weißes Licht auf einen
farbigen Körper, so werden
alle Farbanteile, außer der
Eigenfarbe absorbiert. Man
spricht daher auch von einer
Farbsubtraktion (Subtraktive
Farbmischung).
So werden bei einem Körper
mit roter Farbe, die Farbe
Cyan absorbiert.
=
Rot und Cyan sind
Komplementärfarben
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Warum sind Körper farbig?
Bedingt durch die drei Rezeptorenarten des Sehsinns, die
möglichst unabhängig gereizt werden sollen, findet man meist in
der Praxis die Filterfarben Magenta, Gelb und Cyan. So filtert ein
Cyan-Filter hauptsächlich das rote Licht, ein Magenta-Filter das
grüne Licht und der Gelb-Filter das blaue Licht.
Bei folgendem Experiment werden verschiedene Körper, wie eine
z. B. eine Tomate und eine Zitrone mit weißem Licht einer
Leuchtstofflampe bestrahlt.
Wie zu erwarten erscheint die Tomate Rot und die Zitrone Gelb.
Anschließend beobachtet man die Tomate und die Zitrone durch
einen Cyan-Filter. Die Tomate erscheint nun Schwarz und die
Zitrone Grün.
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Woraus bestehen die Farben?
Beim Mischen von Farben, wie z. B. beim Malen mit Filzstiften,
kann man verschiedene Farben erzeugen. Kann man eigentlich
alle Farben durch Mischen erzeugen, bzw. welche Filzstiftfarbe ist
durch Mischen mit anderen Farben entstanden?
Bei folgendem Experiment
werden vier verschiedene
Filzstiftfarben, wie z.B. Rot,
Grün, Blau und Braun mit
Hilfe eines Filterpapiers, das
mit Wasser getränkt wird, in
die Mischfarben aufgeteilt.
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Woraus bestehen die Farben?
Dazu wird ein rundes Filterpapier, mit einem Bleistift in vier Teile
aufgeteilt und in der Mitte mit einem Bleistift ein Loch gestochen.
Danach trägt man in der Mitte des Filters die vier Farben im Kreis
auf und steckt von einer Seite ein etwa 5 cm langes aufgerolltes
saugfähiges Papier in das Loch. Danach legt man das Filterpapier
auf ein mit Wasser gefülltes Getränkeglas, sodass das saugfähige
Papier ins Wasser eintaucht. Nach kurzer Zeit laufen die
Farbpunkte auseinander und teilen sich in ihre Grundfarben auf.
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Welche Farbe hat Rotkohlsaft?
Normaler Rotkohl (Saft) aus dem Glas hat eine violette Farbe.
Setzt man zu Rotkohlsaft verschiedenen Stoffe, wie
Zitronensaft, oder Essigreiniger, oder Sodalösung hinzu, so ist
eine deutliche unterschiedliche Färbung zu erkennen.
Violetter Rotkohlsaft wird durch Säuren wie z. B. Zitronensäure
oder Essig rot gefärbt. Neutralstoffe wie z. B. Leitungswasser
verändern die violette Farbe des Rotkohlsaftes nicht. Laugen wie
z. B. Sodalösung oder seifenähnliche Stoffe färben den
Rotkohlsaft blau bis grün.  Alternative pH-Wert Messung
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Wie leuchtet ein Glühwürmchen?
Das Glühwürmchen
produziert in seinem Körper
Luciferine, welche in
Gegenwart eines
entsprechenden LuciferaseEnzyms mit molekularen
Sauerstoff (O2) oxidiert
werden.
Durch Weiterreaktion, meist
durch Abspaltung von
Teilgruppen an dem
Luciferin, entsteht Energie,
die in Form von Licht
abgestrahlt wird.
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Wie leuchtet ein Glühwürmchen?
Bei dem folgenden Experiment verwenden wir Leuchtstäbchen
in denen eine sogenannte Peroxioxalat - Chemilumineszenz
abläuft. Hierbei wird im ersten Schritt ein Oxalsäurederivat, mit
Wasserstoffperoxid (H2O2) oxidiert.
Dabei entstehen energetisch
angeregte Reaktionsprodukte,
die ihre Energie auf einen
zugesetzten Farbstoff,
übertragen und diesen zur
Lumineszenz anregen.
Man kann auch mit Licht (z.B.
Blaulicht) dem Farbstoff
Energie zufügen und zum
Leuchten bringen.
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Weitere Info unter: [email protected]
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