1. Licht und Strahlung

Photonen    (4/4)

Wie kommt das Farbsehen zustande? Auf der Netzhaut des menschlichen Auges befinden sich drei Arten von Lichtrezeptoren, die als Zapfen bezeichnet werden und das Farbsehen am Tage erlauben.

Die S-Zapfen (S für short) registrieren blaues Licht, das Maximum ihrer Empfindlichkeit liegt bei 420 nm. Die M-Zapfen (M für medium) sehen grünes Licht, ihre höchste Empfindlichkeit liegt bei 535 nm. Die L-Zapfen (L für long) sind für das Rotsehen zuständig, obwohl das Maximum ihrer Empfindlichkeit im gelben Bereich bei 560 nm liegt.

Die Empfindlichkeit der S-, M- und L-Zapfen des Menschen für blaues, grünes und rotes Farbsehen, über die Wellenlänge des Lichts aufgetragen. Die Kurven sind auf einen Maximalwert gleich 1 normiert. Tatsächlich sind die S-Zapfen sehr viel unempfindlicher als die M- und L-Zapfen. Die Kurven zeigen einen typischen Verlauf, der von Mensch zu Mensch deutlich variieren kann.

Im Photonenmodell wird das Licht in Abhängigkeit von der Energie der Photonen auf die unterschiedlichen Zapfen verteilt. In den Zapfen erzeugen die absorbierten Photonen durch eine chemische Reaktion elektrische Signale, die von den Sehnerven zum Gehirn geleitet werden. Aus den Signalen der verschiedenen Zapfentypen interpretiert das Gehirn schließlich den von uns wahrgenommenen Farbeindruck.

Dies unterscheidet die vom Auge wahrgenommenen Farben von dem physikalischen Farbspektrum, das der Wellenlängenachse in der oben gezeigten Grafik unterlegt ist. Beispielsweise kann das Auge die physiologische Farbe Gelb, die im physikalischen Spektrum monochromatisch bei etwa 560 nm zu finden ist, nicht direkt wahrnehmen, sondern muss sie durch Nervensignale der M- und L-Zapfen erzeugen.

Sehen bei Nacht ↓ ↑

Für das Sehen bei schwachem Licht sind andere Rezeptoren auf der Netzhaut, die sogenannten Stäbchen, zuständig. Sie sind etwa 100mal empfindlicher als die Zapfen, was für das Sehen bei Nacht vorteilhaft ist. Es gibt jedoch nur eine Sorte Stäbchen, das Maximum ihrer Lichtempfindlichkeit liegt bei der Wellenlänge 510 nm. Da es nur eine Sorte gibt, erlauben sie kein Farbsehen. Daher der Spruch: Nachts sind alle Katzen grau.

Die spektralen Hellempfindlichkeitskurven für das Sehen bei Tag mit den Zapfen und bei Nacht mit den Stäbchen zeigt die folgende Abbildung.

Die Hellempfindlichkeitskurven für das Tag- und Nachtsehen, jeweils auf einen Maximalwert gleich 1 normiert.

Bemerkenswert ist die sehr hohe Empfindlichkeit der Zäpfchen bei dunkeladaptiertem Auge: die Zäpfchen können bereits kurze Lichtblitze aus jeweils 5 bis 8 Photonen wahrnehmen. Neueste Untersuchungen deuten darauf hin, dass dies schon mit einzelnen Photonen gelingt! (letzter Zugriff der Links zu den Artikeln: 03.07.2024)

Und was bedeuten nun die Begriffe Energie und Intensität? Im Photonenmodell ist die Energie der Photonen gleich

mit dem Planckschen Wirkungsquantum h und der Lichtfrequenz f. Wir haben gesehen, dass die Energie der Photonen für chemische Reaktionen, wie sie beispielsweise in der Netzhaut des Auges beim Farbsehen auftreten, maßgeblich ist, aber auch für das Auslösen von Elektronen aus Metallen beim Photoeffekt. Die Wellenlänge des Lichts spielt hier keine Rolle, sie kommt in der Gleichung für die Photonenenergie nicht vor.

Was geschieht beim Übergang des Lichts von Luft in einen anderen transparenten Stoff wie etwa Glas oder Wasser? Das Licht wird gebrochen und teilweise reflektiert. Seine Farbe bleibt im Glas oder im Wasser jedoch die selbe. Die Energie der Photonen bleibt bei einer Brechung des Lichts ebenfalls unverändert. Die Farbe des Lichts ergibt sich also auch bei einer Ausbreitung in Glas, Wasser oder anderen transparenten Stoffen aus der Energie seiner Photonen!

Ein Ergebnis des Abschnitts über elektromagnetische Wellen ist der Zusammenhang von Lichtgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge:

Im Wellenmodell des Lichts entspricht der Photonenenergie - wie die oben angegebene Energiegleichung belegt - die Frequenz des Lichts. Die Photonenenergie bleibt in unterschiedlichen transparenten Medien gleich, daher muss dies auch für die Frequenz so sein. In transparenten Medien ist die Lichtgeschwindigkeit c kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c_o im Vakuum. Daher gilt:

wobei λ die Wellenlänge im transparenten Medium und λ_o die Vakuum- wellenlänge ist. Die Wellenlänge bleibt bei der Brechung des Lichts nicht erhalten, sondern ändert sich im gleichen Maß wie die Lichtgeschwindigkeit.

Es ist daher nicht ganz korrekt, Farben durch die Wellenlänge des Lichts zu charakterisieren. Richtig wäre es, Farben durch Photonenenergien oder Frequenzen anzugeben! Dies hat sich jedoch im Sprachgebrauch nicht durchgesetzt.

Im Wellenmodell des Lichts hatten wir dieses Ergebnis in der Ergänzung 4 mit sehr viel komplizierteren Rechnungen gefunden.