Grundlagen der Farbigkeit

Es gibt zwei Modellvorstellungen, die das Licht physikalisch erklären: Zum einen die Teilchentheorie des Lichts, die verschiedenfarbiges Licht als Strom energetisch unterschiedlicher Teilchen (Photonen) beschreibt, zum anderen die Wellentheorie des Lichts, die von elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Länge ausgeht.

$\begin{figure} \begin{center} \epsfig{file=kurs723Fig1.eps, width=14cm} {\small Abb.1: Elektromagnetisches Spektrum${}^1$} \end{center} \end{figure}$

Beide Modellvorstellungen haben ihre Berechtigung, wobei wir im Folgenden die Wellentheorie für die Erklärungen heranziehen werden.

Das elektromagnetische Spektrum reicht von sehr kurzen Wellen (Höhenstrahlung) bis zu extrem langen elektrotechnisch erzeugten Wellen (Langwellen). Für das menschliche Auge ist nur ein sehr kleiner Teil dieses Spektrums sichtbar. Dieser liegt im Wellenlängenbereich von etwa 400 nm (violett) bis 750 nm (rot).

Die Energie E elektromagnetischer Wellen ist indirekt proportional zur Wellenlänge $\lambda$ :

Entstehung von Farbigkeit durch Absorption

Farbigkeit kann dadurch entstehen, dass ein Stoff elektromagnetische Wellen bestimmter Länge absorbiert. Wenn diese Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts erfolgt, erscheint uns der Stoff farbig. Voraussetzung für die Farbigkeit ist also das Vorhandensein von Elektronen, die bereits durch relativ energiearmes sichtbares Licht angeregt werden können. Dies ist v. a. bei Molekülen mit ausgedehnten $\pi$ -Elektronensystemen der Fall. Sichtbar ist dann immer die Komplementärfarbe zur Farbe des absorbierten Lichts (s. Abb. 2).

Wellenlängenbereich des Lichts in nm	Farbe des vom Stoff absorbierten Lichts	beobachtete Farbe
400-435	violett	gelb
435-480	blau	orange
480-500	blaugrün	rot
500-580	gelbgrün	purpur
580-595	gelb	violett
595-610	orange	blau
610-700	rot	blaugrün

Abb.2: Zusammenhang zwischen sichtbarer Farbe und absorbiertem Licht

Absorbiert ein Stoff die Wellen des gesamten sichtbaren Bereichs, so erscheint er schwarz, absorbiert er nur Wellen außerhalb von 400 nm - 750 nm, so sehen wir ihn weiß.

Entstehung von Farbigkeit durch Emission

Stoffe können auch durch Lichtemission farbig erscheinen. Auf atomarer Ebene geschieht Folgendes:

$\begin{floatingfigure}{4.7cm} \begin{center} \epsfig{file=kurs723Fig2.eps, wid... ...ine{\small Abb.3: Bohrsches Atomodell${}^2$} \end{center} \end{floatingfigure}$

Die Elektronen werden durch die Energie des einstrahlenden Lichts auf ein höheres Niveau (angeregter Zustand) angehoben und fallen dann wieder auf ihr Ausgangsniveau zurück. Dabei können sie die Energiedifferenz in Form von Licht emittieren. So ist es z. B. möglich, dass ein Elektron der L-Schale durch Lichteinstrahlung auf die M-Schale angehoben wird. Es verbleibt jedoch nicht in diesem energetisch ungünstigen angeregten Zustand, sondern fällt wieder in die L-Schale zurück, wobei es genau die Energie als Licht emittiert, die es beim Übergang vom L- auf das M-Niveau aufgenommen hat. Natürlich können Elektronen auch mehrere Schalen überspringen, wobei zur Anregung mehr Energie in Form von kurzwelligerer Strahlung nötig ist. Bei Molekülen ist die Situation ähnlich, jedoch können mehrere verschiedene Elektronen angeregt werden. Dadurch absorbiert der Stoff in einem breiteren Wellenlängenbereich.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

$\begin{floatingfigure} % latex2html id marker 338 {7cm} \begin{center} \epsfig... ... 4: Fluoreszenz am Beispiel von Fluorescein} \end{center} \end{floatingfigure}$

Ist das ausgestrahlte Licht energieärmer, d. h. langwelliger als das absorbierte, so spricht man von Fluoreszenz. Die angeregten Elektronen fallen dabei nicht auf einmal auf ihr Ausgangsniveau zurück, sondern schrittweise. So ist es z. B. denkbar, dass ein Elektron unter Abgabe von Wärme auf ein immer noch angeregtes Niveau zurückfällt und erst dann unter Lichtemission in die Ausgangsschale zurückkehrt. Der Stoff Fluorescein (vgl. 5.2) absorbiert v. a. im blaugrünen Bereich (485 nm) und sollte daher (vgl. Abb. 2) rot erscheinen. Die Fluorescein-Lösung weist jedoch eine grünliche Färbung auf, sie fluoresziert also im Wellenlängenbereich um 570 nm.

Die Fluoreszenz wird oft mit der Phosphoreszenz verwechselt. Bei der Phosphoreszenz leuchtet der Stoff jedoch nach der Belichtung noch nach. Die Lichtemission erfolgt also zeitverzögert.

Halochromie

Man spricht von Halochromie (,,Salz-Farbigkeit``), wenn Stoffe ihre Farbigkeit in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung verändern. Die unterschiedliche Farbigkeit kommt durch den unterschiedlichen Protonierungszustand im jeweiligen Milieu zustande. Im sauren Bereich ist der Stoff stärker protoniert als im alkalischen. Die unterschiedliche Protonierung beeinflusst die Delokalisation der $\pi$ -Elektronen, was deren Anregbarkeit verändert. Je stärker die Elektronen delokalisiert sind, desto leichter können diese die Energie des Lichts absorbieren. Solche halochromen Substanzen können als Säure-Base-Indikatoren (vgl. 5.) eingesetzt werden.

Literaturverzeichnis:

$^{1}$ aus http://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/Grundl_d_TPh/Exp_Welle/Exp_Welle_03.html am 16.07.2001
$^{2}$ aus http://www.uniterra.de/rutherford/kap010.htm am 16.07.2001