Woher kommen die Farben im Regenbogen? Und all die vielen Farben auf dem Display unserer Handys? Ist Weiss eine Farbe? Wieso brauchen LEDs weniger Strom wie Glühlampen? Fragen über Fragen. Die Antworten liegen im Licht verborgen. Diese Geheimnisse wollen wir heute aufdecken. Ein paar technische Hilfsmittel dürfen dabei natürlich nicht fehlen!
Fangen wir mit etwas Leichtem an: Welche Farben sehen wir im Regenbogen? Da ist Rot, Orange, Gelb, Grün und Blau – die Farben gehen scheinbar nahtlos ineinander über. Mit den Kindern kann man sich schnell darauf einigen, dass es viele Farben sind, aber irgendwie auch nicht alle. Ganz offensichtlich fehlt Weiss, Schwarz, Grau – falls diese denn überhaupt «Farben» sind. Eigentlich fehlen unter anderem so ziemlich alle flauen, ungesättigten Farben. Schaut man sich im Internet weitere Bilder von Regenbogen an stellt man fest, dass die Abfolge der Farben immer gleich ist: Rot über Orange zu Gelb, dann Grün, Blaugrün, Blau und schlussendlich Violett. Warum ist das so? Und was leuchtet da überhaupt?
Spektrum und Wissenschaft
Das riecht nach Wissenschaft, doch heute steigen wir nicht tief ein, sondern gehen das eher praktisch an. Wir merken uns aber, dass die Wassertropfen in der Luft das weisse Licht der Sonne in seine Bestandteile zerlegen, ähnlich wie ein Prisma (damit spielen wir gleich). Was man dann sieht ist ein Spektrum. Zum Glück hat YouTube hier eine gute Erklärung parat. Die farbliche Zauberei entsteht am Übergang Luft-Wasser. Diese haben nämlich verschiede Brechungsindexe und kommt Licht an einen solchen Übergang passiert immer etwas. Mit Details halten wir uns aber nicht auf, sondern schauen uns den Farbverlauf genauer an.
Los geht’s mit Blauviolett. Jenseits davon liegt Ultraviolett (UV). Das Spektrum durchläuft dann die bekannten Regenbogenfarben und endet in tiefem Rot bevor es schlussendlich ins Infrarot (IR) übergeht – sowohl UV wie auch IR sind für unsere Augen unsichtbar. Wir können aber alles messen und gemessen wird die Wellenlänge des Lichts in Nanometern (nm). Ein Nanometer ist übrigens wahnsinnig wenig: ein Milliardstel Millimeter!
Prisma
Das steht so alles in Schulbüchern drin und das Spektrum in Wikipedia präsentiert sich ebenfalls schön bunt. So einfach wollen wir das aber nicht glauben, sondern selbst ausprobieren. Doch wie zerlegt man Licht in seine Bestandteile, wenn gerade keinen Regenbogen zur Hand hat? Ganz klassisch geht das mit einem Prisma – hat man ja schon in vielen Abbildungen gesehen. Können wir das auch? Unglücklicherweise findet sich in Papis gut sortierter Bastelkiste kein Prisma, also entschliessen wir uns eines zu bestellen; sowas gibt’s für wenig Geld bei uns in Europa oder für noch weniger Geld bei AliExpress in China. Ein paar Tage später versuchen wir unser Glück mit dem frisch gelieferten Prisma und stellen leicht frustriert fest, dass es gar nicht so einfach ist, dem Prisma ein schönes Spektrum zu entlocken – die meisten «Fotos» von Prismen mit tollen Regenbogenspektren sind nämlich schlicht und einfach Fotomontagen!
Nach einigen fruchtlosen Versuchen lernen wir, dass der Schlüssel zum Erfolg darin liegt, einen eng begrenzten Lichtstrahl ins Prisma zu schicken und nicht einfach mit Licht wild drauflos zu leuchten. Unsere einfache Lösung: eine in Photoshop gezeichnete weisse Linie auf schwarzem Grund mit einem Videobeamer ins Prisma projizieren. Der Erfolg lässt sich sehen – alles so schön bunt hier!
Das Prisma zerlegt oder sortiert also das weisse Licht in seine Bestandteile. Das hat schon Newton anno 1666 gezeigt. Das Prisma tut das, weil sein Glas das Licht nicht für jede Wellenlänge, sprich «Farbe», gleich bricht, d. h. ablenkt. Diese Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex heisst übrigens Dispersion.
Mit Hausmitteln
Geht das auch mit einfachen Hausmitteln? Ja. Nostalgiker unter uns haben vielleicht noch eine CD oder DVD herumliegen. Damit können wir das Licht in sein Spektrum zerlegen. Brauchen wir nur noch Licht. Für unser Experiment sollte die Lichtquelle hell und möglichst «klein» oder «punktförmig» sein. Sehr gut eignet sich dazu die helle Lampe eines Smartphones. Um ein schönes Spektrum von blau nach rot zu erhalten, muss man etwas mit den Abständen und Positionen in einem abgedunkelten Raum herumspielen. Gut geht das, indem man eine CD im Abstand von ca. 30 cm in die eine Hand nimmt und mit der anderen das Handy mit eingeschalteter Lampe neben den Kopf hält und auf die CD richtet. Dann die CD leicht drehen, bis man das Spektrum von Blau bis Rot gut sieht – so wie im Bild hier:
Das Resultat ist überzeugend. Wie intensiv die Farben sind! Aber weshalb sehen wir hier ein Spektrum? Das ist jetzt leider nicht einfach zu erklären, die Magie ist allerdings eine andere wie beim Prisma: Bei CD oder DVD haben wir es mit einem Optischen Gitter zu tun. Die digitale Musik befindet sich auf mikroskopisch feinen Spuren auf der CD, die Spuren stellen letztendlich ein Gitter dar und beugen das Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich.
Spektrometer
Dass «weisses» Licht eben nicht weiss ist, sondern aus bunten Farben zusammengesetzt, haben wir nun gesehen – besonders reizvoll mit Hilfe einer simplen CD. Doch so richtig überzeugend und wissenschaftlich ist die Herangehensweise mit der CD nicht. Wir kramen deshalb aus unserer Profi-Werkzeugkiste ein Spektrometer hervor. Klingt kompliziert – ist es auch, aber wir wollen ja keins bauen, sondern nur benutzen. Für den Moment begnügen wir uns mit der Vorstellung, dass es sich bei diesem Apparat um eine Art Handy mit eingebautem Prisma handelt.
Und was tut das Gerät mit der farbenfrohen Anzeige und dem eingebauten Pingpongball? Nun, der «Pingpongball» fängt das Licht ein und leitet es auf einen Spektralsensor – sagen wir, das ist so etwas wie ein Prisma mit Miniaturkamera. Die Kamera fotografiert das Spektrum und zeigt es auf dem Display an. So sind wir nun in der Lage die Zusammensetzung von Licht aufzuschlüsseln. Benutzt wird ein solches Instrument in freier Wildbahn beispielsweise, um in einem Foto- oder Videostudio das (weisse) Licht der Beleuchtung und den Weisspunkt der Kamera aufeinander abzustimmen. Passt das nämlich nicht zusammen, haben die Fotos oder Videos nachher einen Farbstich.
Heute wollen wir aber kein Studio vermessen, sondern das Geheimnis verschiedener Lichtquellen ergründen. Als Erstes bietet sich hier die Sonne an. Sonnenlicht ist der sichtbare Teil der Sonnenstrahlung. Und Achtung liebe Forscher! Nicht direkt in die Sonne schauen, auch nicht mit Sonnenbrille und schon gar nicht mit optischen Geräten! Das Wetter ist heute gut und unser Messgerät verrät uns dies über die Zusammensetzung des Sonnenlichts:
Unsere Augen sehen Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 380 nm (Violett) und 750 nm (tiefes Rot), unser Messinstrument erfasst praktisch denselben Bereich. Die Messung bestätigt, was wir schon vom Regenbogen her wissen, nämlich dass Sonnenlicht aus allen «Farben» des Spektrums besteht. Mehr noch: Wir sehen, dass die Farbanteile ziemlich gleichmässig über den ganzen sichtbaren Bereich verteilt sind – das ist bei weissem Licht, wie wir bald sehen werden, nicht immer so. Und noch etwas fällt auf: Das Spektrum ist links und rechts abgeschnitten, weshalb wir vermuten können, dass es beidseitig noch weiter gehen könnte. Und genau das tut es. Von links kommt Ultraviolett (UV) (Sonnenbrand!) und rechts geht es mit Infrarot (IR) weiter.
Edison und Freunde
Dank Edison (und anderen) holten sich die Menschen mit den ersten praktisch nutzbaren Glühlampen die Sonne ins Haus – zunächst mehr schlecht als recht. Dann kamen irgendwann Leuchtstofflampen. Ihr Licht ist kälter und neutraler als das der guten alten Glühlampen und damit dem der Sonne ähnlicher. Ausserdem verbrauchen sie weniger Strom, was leicht nachzuvollziehen ist, da sie im Gegensatz zu Glühlampen nur wenig warm werden. Beide sind aber zunehmend Geschichte und werden in rasantem Tempo durch LED-Leuchtmittel abgelöst.
Wir wollen nun herausfinden, worin sich das Licht all dieser Lampen von der Sonne unterscheidet und warum die Energieeffizienz von Glühlampen nicht besonders gut ist. Auf die Schnelle finden wir in unserem Haushalt vier verschiedene Birnen; die wollen wir mit unserem Wunderwerk der Technik untersuchen.
Zunächst knöpfen wir uns die gute alte 60 Watt Glühbirne vor. Die funktioniert im Prinzip immer noch gleich wie die frühen Birnen zu Zeiten Edisons. Das gemessene Spektrum zeigt, weshalb das Licht nicht neutral wirkt und die Effizienz so schlecht ist: Wir sehen einen nur geringen Blauanteil dafür umso mehr Rot. Zudem steigt unglücklicherweise der Rotanteil gegen Infrarot hin stetig an. Detektivisch veranlagte Individuen können sich nun gut zusammenreimen, wie das im Infrarot wohl weitergeht. Dort wird nämlich die meiste Energie verbraten und das macht die Glühbirne in erster Linie zu einer guten Heizung.
Wenn wir eine Lampe und keine Heizung brauchen ist das natürlich wenig vorteilhaft. Als nächstes versuchen wir unser Glück mit einer modernen LED-Lampe. Ein einfaches Experiment wollen wir uns hier nicht verkneifen: Wir lassen die Lampe längere Zeit laufen und fassen sie dann an. Diagnose: lauwarm. Das Spektrum zeigt, weshalb das so ist: Im tiefen Rot entsteht nur wenig und gegen Infrarot hin praktisch kein Licht. Im Infraroten dürfte damit kaum Energie und damit Wärme abgegeben werden. Für besonders Neugierige: Die LEDs in der Lampe leuchten eigentlich nur blau, wandeln aber einen Teil des blauen Lichts mit Hilfe eines Leuchtstoffs in grünes, gelbes und rotes Licht um – seht ihr die zwei «Bergspitzen» im Spektrum?
Ein wahres Ungetüm ist unsere klassische Energiesparlampe, eine Leuchtstofflampe. Ihre kunstvolle Spirale aus Glas lässt erahnen, dass hier andere Mechanismen wie bei der Glühbirne oder der LED-Lampe für Licht sorgen. Und in der Tat geht es im Spektrum wild zu und her! Das liegt daran, dass die Röhre zunächst gar kein sichtbares Licht, sondern Ultraviolettstrahlung erzeugt. Daraus wird anschliessend von einem fluoreszierenden Leuchtstoff sichtbares Licht erzeugt. Auch hier deutet alles darauf hin, dass kein Infrarot erzeugt wird und damit keine Energie in Form von Wärme verschleudert wird.
Unser vierter und letzter Kandidat erinnert mit seinem langen, warm leuchtenden Glühfaden an schummrige Raumbeleuchtungen vergangener Tage. Doch das täuscht, denn hier glüht gar nichts, denn wir haben es auch hier mit einer modernen LED-Lampe zu tun. Das Spektrum der «warmen» LED-Birne zeigt, dass diese zwar viel rötliches Licht abgibt, aber gegen Infrarot hin praktisch nichts mehr. So bewahrt auch dieses Exemplar im Betrieb einen kühlen Kopf.
Das ist ja alles schön und gut, aber geht die Detektivarbeit auch ohne Profi-Gerätschaften? Nach einigen wenig überzeugenden Bastelversuchen mit zweckentfremdenden DVDs entschliessen wir uns etwas zu kaufen.
Handspektroskop von AstroMedia
Wir entdecken für sehr wenig Geld, so um die 8 Euro, in der Schweiz gerne auch ein paar Franken mehr, das Handspektroskop von AstroMedia. Die Webseite verspricht: «Ein hochpräzises Durchlicht-Beugungsgitter mit 1.000 Linien pro Millimeter bringt die Spektralfarben zur Erscheinung. Auf diese Weise ermöglicht das Handspektroskop die Untersuchung unterschiedlicher Lichtarten, vom kontinuierlichen Spektrum glühender Körper wie der Sonne oder einer Glühbirne bis hin zu den Linienspektren von Leuchtstofflampen und vielen anderen Lichtquellen». Das klingt vielversprechend! Wir bestellen und kurze Zeit später bringt uns die Post einen Bausatz aus Karton-Bastelbogen, Plastic-Beugungsgitter und einer Linse. Fehlen nur noch eine Schere, Kleber und Geduld. Los geht’s!
Die iPad-verwöhnten Bastelfreunde erahnen schnell, dass es hier viel zu schnippeln gibt und obendrein noch Präzision gefragt ist. So erscheint das zunächst nicht allen die perfekte Freizeitbeschäftigung zu sein – aber wir legen trotzdem los. Mit Kaffee und Kuchen zwischendurch schaffen wir den Bausatz in gut zwei Stunden. Details und viele Fotos dazu sparen wir uns für einen weiteren Blogeintrag auf. Wer die Anleitung genau befolgt und nicht zwei linke Hände hat kommt sicher ins Ziel; für Kinder dürfte der Bausatz aber ohne die Hilfe eines Erwachsenen kaum zu bewältigen sein. Das Endresultat sieht schon mal gut aus, aber funktioniert das 8-Euro Spektrometer auch?
Die Anleitung verrät, dass man das eine Ende der Konstruktion auf eine Lichtquelle richtet und ins andere hineinschaut; dann müsse etwas zu sehen sein. Wir entscheiden uns für die Analyse einer weissen Leuchtstofflampe – haben wir doch schon gelernt, dass eine solche ein interessantes Spektrum verspricht. Und tatsächlich, das Resultat ist schon fast verblüffend: Unsere Pappkiste zeigt ein detailliertes Spektrum mit intensiven Farben – und das ganz ohne Computer und andere moderne Zauberei! Gut zu sehen ist, wie die Lampe Licht übers gesamte sichtbare Spektrum von tiefem Blau bis ins tiefe Rot abgibt, offensichtlich aber mit einem Loch irgendwo im Grünen.
Wie vergleicht sich das mit dem über hundertmal teureren Profigerät? Wir messen damit die Röhrenlampe nochmals. Demnach müsste unser selbstgebasteltes Messgerät eine deutliche Linie um 540 Nanometer (grün) und bei 600 nm (rot) zeigen, dazu ein Loch zwischen 550 nm und 570 nm. Scheint einigermassen zu stimmen!
Nun packt uns wissenschaftlicher Ehrgeiz und Entdeckerdrang lässt uns die Umgebung nach vielversprechenden Lichtquellen durchkämmen. Was wollen wir unserem selbstgebauten Wunderding als nächstes präsentieren? Sonne, Glühlampen, LEDs, Laser – an Ideen mangelt es nicht. Wir sind uns schnell einig, dass es als Nächstes ein Laser sein soll. Cool, ganz klar, aber ein Laser hat auch wissenschaftlich etwas zu bieten, denn Laserlicht besteht sozusagen aus nur einer Farbe und es ist genau bekannt, welcher Typ Laser bei welcher Wellenlänge leuchtet. Es gibt wieder viel zu tun und damit wartet schon ein weiterer Nachmittag mit Experimenten und Blogeintrag auf uns! Aber nicht mehr heute.
Fazit
«Weisses» Licht ist halt eben nicht einfach weiss, sondern aus allerlei bunten «Farben» zusammengesetzt. Das aber wollten wir Wikipedia nicht einfach so glauben, sondern selber nachvollziehen. Wie’s geht macht uns der Regenbogen draussen in der Natur vor. Leider war das Wetter für Regenbogen zu gut und es bot sich uns deshalb eine gute Gelegenheit ein paar technische Spielzeuge zum Einsatz zu bringen. Oder, falls nicht schon vorhanden, zu kaufen. CDs, Prismen und ein ausgewachsenes Fotospektrometer standen uns bei unseren Experimenten zur Seite. Der überraschend gute Fang des Tages war aber der Handspektroskop-Bausatz von AstroMedia. Wissenschaft zum Greifen nahe, auch wenn’s nur eine kleine Kartonbox ist! Das ist unser günstiges Eintrittsticket zur Archäologie der Lichttechnik und wir untersuchten damit alles von Edisons Glühbirne, über Neonröhren bis hin zu LEDs und Laser. Weitere Ideen sind auch schon vorhanden und warten auf das nächste Stück Freizeit.
Und jetzt?
YouTube (für Clevere)
Wie ensteht ein Regenbogen?
Licht in Spektralfarben zerlegen – Vergleich
Etwas kaufen
Handspektroskop von AstroMedia
Prisma, wir haben das hier von Betzold und das hier bei AliExpress bestellt
