Licht und Farbe Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. Und die Erde war wüst und leer, und es war finster auf der Tiefe; und der Geist Gottes schwebte auf dem Wasser. Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht. Und Gott sah, dass das Licht gut war. Da schied Gott das Licht von der Finsternis und nannte das Licht Tag und die Finsternis Nacht. Da ward aus Abend und Morgen der erste Tag. Genesis (1.Buch Mose)
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Tag und Nacht, der Wechsel von Licht und Schatten, gaben den Menschen schon immer Rätsel auf. Licht, Sonnenlicht, ist für das Leben auf der Erde unabdingbar und so entwickelten sich schon früh Vorstellungen von der Natur des Lichts und auch der Sonne. ●
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Menschen haben die Sonne und Sonnengottheiten wohl seit Anbeginn verehrt. So entstand die große Zahl an Legenden und die hervorgehobene Rolle der Sonne in vielen Religionen. In heißen Regionen war der Sonnengott zugleich ein Hauptgott. Die Sonnenbarke, in der die Sonne über den Himmel zieht, finden wir im alten Ägypten bereits vor Echnaton beim Gott Ra. In indianischen Kulturen zog ein Sonnenwagen über den Himmel und auch in der griechischrömischen und der nordischen Mythologie lenkte den Sonnenwagen eine Sonnengottheit. Echnaton mit Familie in Anbetung von Aton
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antike Theorien ●
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Der Grieche Empedokles vertrat 444 v. Chr. die Idee der "Augenstrahlen": Vom Auge gehe eine Art "Fühler" aus und taste den Körper ab, so dass ihn das Auge buchstäblich erfasse. (Noch heute spricht man in der darstellenden Kunst von "Sehstrahlen", die vom Auge ausgehen.) Um dieselbe Zeit war Pythagoras der Meinung, dass alle Gegenstände kleine Teilchen abschießen. Diese treffen das Auge, so dass wir den Gegenstand erblicken können.
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neuere Zeit ●
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Newton: Von jeder Lichtquelle werden kleine Lichtteilchen geradlinig fortgeschleudert. Gelangen diese in unsere Augen, rufen sie eine Lichtempfindung hervor und wir sehen die Quelle. Die Energie des Lichtes würde sich also zusammen mit einer Masse fortbewegen. Huygens: Licht ist eine Welle. In einer Welle wird zwar Energie transportiert, aber keine Masse. (Denken Sie an ein Stück Holz, das in den Wellen auf einer Wasseroberfläche schaukelt. Das Holz bewegt sich nur auf und ab, während die Wasserwellen unter ihm durcheilen. Würde sich mit diesen Wasserwellen Masse (hier also Wasser) mitbewegen, müsste sich auch das Holz mitbewegen.)
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Heute ●
Welle-Teilchen-Dualismus: Licht verhält sich manchmal als Teilchen, manchmal als Welle, je nach betrachtetem Vorgang.
als Welle (Beugung und Interferenz) Grundkurs Chemie ch-2
als Teilchen (Photoeffekt) Einführung
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Theorie I ●
Max Planck (1900): Licht wird nicht kontinuierlich emittiert, sondern in kleinen Wellenpaketen, sogenannten Lichtquanten.
E = h·ν
h = Plancksches Wirkungsquantum
mit
h = 6,62606 93 · 10-34 Ws ν = Frequenz des Lichts
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Theorie II ●
Einstein (1905): Energie und Masse sind einander äquivalent. E =mc², mit c=Lichtgeschwindigkeit daraus folgt mPhoton= h·ν/c² als Masse eines Lichtteilchens (Quant oder Photon)
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elektromagnetisches Spektrum
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Licht ●
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Weißes Licht kann in seine spektralen Anteile zerlegt werden!
Farbiges Licht kann durch Addition nach der Dreifarbentheorie von Young und Helmholtz zu weißem (und andersfarbigem) Licht gemischt werden.
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So entsteht Licht I ●
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Temperaturstrahlung: Jeder Körper sendet je nach Temperatur elektromagnetische Strahlung aus. Liegt die im richtigen Frequenzbereich, so dass das menschliche Auge sie wahrnehmen kann, nennen wir sie Licht Emission durch Elektronensprünge: Springen Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres, wird pro Sprung ein Lichtquant abgegeben, dessen Frequenz so sein muss, dass seine Energie gleich der Energiedifferenz der beiden Zustände wird. Dieses Licht ist naturgemäß monochromatisch. h·ν = E1 – E2 = ΔE
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So entsteht Licht II ●
Lumineszenz ist die optische Strahlung eines physikalischen Systems, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand entsteht (strahlende Desaktivierung). Darunter fallen ●
Elektrolumineszenz,
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Photolumineszenz mit Phosphoreszenz und ● Fluoreszenz , Chemolumineszenz, ●
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Biolumineszenz.
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So entsteht Licht III ●
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Elektrolumineszenz: Anregung durch elektrischen Strom. Beispiel: Leuchtdioden, EL-Folien oder OLEDs Photolumineszenz: Anregung durch Photonen. Man unterscheidet je nach Zeit zwischen Anregung und Emission des Lichtes zwischen Phosphoreszenz (z.B. Uhrenziffern bei Nacht) und Fluoreszenz (z.B.“Schwarzlichteffekt“ in der Disco). Chemolumineszenz: Anregung durch chemische Reaktion (Beispiel: Luminol zum Nachweis von Blut). Biolumineszenz: Anregung durch eine chemische Reaktion in lebenden Organismen (Beispiel: Oxidation von Luciferin im Leuchtkäfer).
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Die Nacht ist schwarz .... Ein idealer schwarzer Körper ist ein Körper, der jegliche elektromagnetische Strahlung, die auf ihn fällt, vollständig absorbiert.
Gleichzeitig strahlt er selbst elektromagnetische Strahlung aus, deren spektrale Verteilung nur von der Temperatur des schwarzen Körpers abhängig ist
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..und manche Körper sind es auch Ein idealer Schwarzer Körper lässt sich nicht realisieren, da es keine Materialien gibt, welche elektromagnetische Wellen frequenzunabhängig vollständig absorbieren. (berußte Oberflächen: Absorptionsgrad ca. 0,96) Da in der Regel nur die Absorptions- und Emissionseigenschaften der Strahlungsquelle von Belang sind, kann anstelle einer Oberfläche die Öffnung eines Hohlraumstrahlers verwendet werden. So kommt man den idealen Eigenschaften eines Schwarzen Strahlers wesentlich näher.
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spektrale Verteilung der Hohlraumstrahlung T=5500K
u( ) [kJ/nm]
800
600
T=5000K
400 T=4500K
T=4000K
200
T=3500K
0
0
500
1000
1500
2000
[nm]
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Lichtquellen ●
Wir unterscheiden aktive und passive Lichtquellen ●
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In aktiven Lichtquellen wird das emittierte Licht selbst erzeugt. Passive Lichtquellen reflektieren Licht, das von einer anderen Lichtquelle auf sie gefallen ist. Ein Teil des auf sie gefallenen Lichts wird absorbiert, der Rest wird reflektiert und erzeugt so den Farb- und Helligkeitseindruck der passiven Lichtquelle. Passive Lichtquellen sind teilweise aktiv, z.B. durch Photolumineszenz (u.a. wegen sog. „Weißmacher“ {optische Aufheller} aus Vollwaschmitteln).
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Farbwahrnehmung I ●
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Die Farbwahrnehmung geschieht im (menschlichen) Auge durch Rezeptoren mit unterschiedlicher Empfindlichkeit für bestimmte Spektralbereiche.
Stäbchen registrieren nur Hell-Dunkel-Kontraste und sind bei geringer Lichtintensität unter 0,1 cd/cm² aktiv.
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Farbwahrnehmung II ●
Drei Arten Zapfen (Farbrezeptoren) registrieren die spektrale Farbvalenz: ●
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L-Zapfen (L wie Long), M-Zapfen (M wie Medium) S-Zapfen (S wie Short)
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Quellen – gleichzeitig empfohlene Links ●
Wikipedia (http://www.wikipedia.de)
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http://www.badw.de/aktuell/reden_vortraege/Reden_Texte/licht.pdf
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http://www.educ.ethz.ch/lehrpersonen/physik/unterrichtsmaterialien_ phy/modernephysik/quantenmechanik/kapitel1.pdf http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/odenwalds_universum? interface=archiv_kolumne http://www.desy.de/user/projects/Physics/index.html http://www.pctheory.uniulm.de/didactics/quantenchemie/html/LichtF.html http://www.foto-net.de/net/licht/quelle.html
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