Licht im Medium

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Absorption

In einem Medium wird Licht absorbiert, indem es Atome oder Moleküle in höhere Energiezustände anregt, also Elektronen auf höhere Bahnen hebt. Die aufgenommene Energie kann anschließend beispielsweise als Wärme wieder abgegeben werden. Werden nicht alle Wellenlängen gleichmäßig absorbiert, wird das Medium farbig. Wird z. B. nur Rot absorbiert und alle anderen Farben durchgelassen, erhält man ein durchsichtiges grünes Medium. Wird Rot absorbiert und alle anderen Farben reflektiert, erscheint der Gegenstand ebenfalls grün, wenn wir ihn betrachten. Die Farbe Grün ergibt sich, weil sie die Komplementärfarbe zu Rot ist.
Würde der Gegenstand nur Grün reflektieren und alle anderen Wellenlängen absorbieren, erschiene er ebenfalls grün.

„Farbe“ ist keine physikalische Größe, sondern eine menschliche Wahrnehmung.

Welche Wellenlängen ein Stoff absorbiert, hängt von den Abständen der Elektronenniveaus ab (mit Abstand ist der energetische Abstand gemeint). Denn es können nur die Wellenlängen absorbiert werden, zu denen es passende Energieniveaus für die Elektronen gibt.

Abb. 1 ¦ Elektron im Atom   Grafik: Ein Elektron im Atom springt von einem Energiezustand in einen anderen.
Bildunterschrift Links: Absorbiert ein Elektron eine elektromagnetische Welle (Wellenlinie) mit passender Energie, kann es in ein energetisch höheres Niveau springen. (Für eine anschauliche Darstellung habe ich das stark vereinfachte Bild der Elektronenbahnen um den Atomkern genommen.)
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Beispiele

Für die folgenden Versuche habe ich Licht einer Taschenlampe mit einer weißen LED verwendet. Hier zunächst einmal das Spektrum der Taschenlampe, untersucht mit dem Handspektroskop von astromedia:

Abb. 2 ¦ Weiße LED Spektrum einer weißen LED
BildunterschriftDas Spektrum einer weißen LED ist kontinuierlich, ähnlich wie das Tageslicht. Bildunterschrift Ende

Rhabarbersaft ist ein Beispiel für den Fall, dass die Wellenlängen zu einer Farbe absorbiert werden und die Farbe des Saftes durch ein Gemisch aller anderen Wellenlängen erzeugt wird. Schickt man weißes Licht durch den Rhabarbersaft und untersucht mit dem Spektroskop, welche Wellenlängen aus dem Saft herauskommen, stellt man fest, dass das blaue Licht vom Saft absorbiert wird. Die blauen Anteile mit Wellenlängen unter 550 nm sind verschwunden. Die durchgelassen Wellenlängen ergeben zusammen die Komplementärfarbe zu Blau, also Orange.

Abb. 3a ¦ Rhabarbersaft  
BildunterschriftLinks: Weißes Licht durch Rhabarbersaft. Blau wird absorbiert, grün, rot und und gelb werden durchgelassen, sodass das austretende Licht orange gefärbt ist (der Komplementärfarbe zu Blau).
Mitte: Grünes Licht durch Rhabarbersaft. Das grüne Licht stammt aus einem Laserpointer, ist also monochromatisch, d. h., es enthält nur eine Wellenlänge. Grün lässt der Rhabarbersaft durch, man sieht den grünen Punkt am Boden, wo der Strahl anschließend auftrifft.
Rechts: Rotes Licht durch Rhabarbersaft. Rot wird ebenfalls durchgelassen, man sieht den roten Strahl durch den Saft gehen und links wieder austreten. Bildunterschrift Ende
Abb. 3b ¦ Rhabarbersaft II  
BildunterschriftBlaues Licht durch Rhabarbersaft. Blau wird im Rhabarbersaft absorbiert, wie zu erwarten dringt das blaue Licht daher nicht tief in den Saft ein.Bildunterschrift Ende

Im Saft aus roten Johannisbeeren liegt der Fall vor, dass die Wellenlängen aller Farben absorbiert werden, bis auf rot – es wird nur rotes Licht durchgelassen (nach der Skala des Handspektroskops etwa von 590 bis 630 nm), daher ist Rot die Farbe des Saftes.

Abb. 4a ¦ Saft aus roten Johannisbeeren  
BildunterschriftLinks: Rotes Licht durch Johannisbeersaft. Der Saft lässt nur rotes Licht durch, weshalb er rot erscheint, andere Wellenlängen werden absorbiert. Dass das rote Licht durch den Saft durchgeht, sieht man am Strahl im Saft und am Auftreffpunkt des roten Lichtes rechts neben dem Glas.
Rechts: Grünes Licht durch Johannisbeersaft. Grünes Licht wird absorbiert, weder sieht man einen Strahl im Saft, noch einen Austrittspunkt am Boden hinter dem Glas (der wäre rechts neben dem Glas zu erwarten). Bildunterschrift Ende

Olivenöl lässt nach meiner Untersuchung mit dem Handspektroskop hauptsächlich das Licht zwischen 550 und 600 nm durch (grün, gelb, und den Beginn von rot) – das passt zur grünlich gelben Farbe des Öls. Schwächer werden auch die Bereiche 530–550 nm und 600–650 nm durchgelassen, Blau dagegen nicht.

Abb. 5a ¦ Olivenöl  
BildunterschriftLinks: Weißes Licht durch OLivenöl. Es tritt rechts mit der grünlich-gelben Farbe aus, die Olivenöl hat, da hauptsächlich grün, gelb und rot durchgelassen werden, sodass ein grünliches Gelb übrig bleibt.
Mitte: Rotes Licht durch Olivenöl. Rotes Licht wird nicht absorbiert, sondern durchgelassen und kommt rechts wieder heraus aus dem Öl.
Rechts: Grünes Licht durch Olivenöl. Am grünen Punkt auf dem Boden sieht man, dass grünes Licht das Öl auch wieder verlässt. Es wird also nicht oder nur wenig absorbiert. (Der Strahl im Öl dagegen erscheint rot. Das grüne Laserlicht regt die Moleküle zum Fluoreszieren im Roten an.)Bildunterschrift Ende

Blau wird von Olivenöl absorbiert, sollte das Öl also nicht durchdringen können. Es regte zunächst rote Fluoreszenz an, die aber nur über eine kurze Strecke zu sehen war, danach war schon zu viel blaues Licht absorbiert.
Überraschenderweise hat der aus dem Öl austretende Lichtstrahl an der Wand jedoch einen grünen Fleck erzeugt. Das ist zunächst rätsehaft – wenn das blaue Licht absorbiert wird, sollte es verschwinden und nicht seine Farbe ändern. Ein Blick durch das Handspektroskop von astromedia brachte die Erklärung – das Licht der blauen LED war nicht monochromatisch, sondern erstreckte sich vom violetten bis in den grünen Bereich (etwa 430–530 nm). Das Grün wird vom Olivenöl aber durchgelassen und erzeugte daher den grünen Fleck.

Abb. 4b ¦ Olivenöl II  
BildunterschriftLinks: Blaues Licht durch OLivenöl. Es wird rasch so weit absorbiert, dass es (bzw. die von ihm verursachte rote Fluoreszenz) nicht mehr zu erkennen ist.
Rechts: Da das Licht der LED nicht rein blau war, sondern auch violette und grüne Anteile enthielt und Grün vom Olivenöl durchgelassen wird, entstand hinter dem Öl ein grüner Fleck an der Wand.Bildunterschrift Ende

© Wiebke Salzmann, Mai 2014

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