Farben, Prismen und Regenbogen

Kronglas bricht violettes Licht mit 410 nm etwas stärker als rotes mit 660 nm, denn sein Brechungsindex beträgt 1.530 für Violett und 1.512 für Rot.

Weißes Licht ist eine Mischung

Mitte der 1660er-Jahre ließ Isaac Newton durch ein Loch im Fensterladen einen schmalen Sonnenstrahl in ein abgedunkeltes Zimmer fallen und schickte ihn durch ein Glasprisma. An der gegenüberliegenden Wand erschien ein Farbband. In einer 1672 veröffentlichten Arbeit erklärte er, dass das Prisma die Farben nicht hinzufügt: Weißes Licht ist eine Mischung dieser Farben. Das Prisma trennt sie, weil jede Farbe etwas anders gebrochen wird. Ein Kommentar von 2015 in der Zeitschrift Philosophical Transactions der Royal Society bezeichnet diese Arbeit als Grundlage der modernen Optik. Newton zeigte außerdem: Wird eine einzelne Farbe aus dem Band ausgewählt und durch ein zweites Prisma geschickt, bleibt ihre Farbe gleich.

OpenStax erklärt den Grund. Der Brechungsindex eines Stoffes hängt etwas von der Wellenlänge ab: Er steigt bei abnehmender Wellenlänge und ist für Violett am größten. Deshalb wird violettes Licht stärker gebrochen als rotes. Weißes Licht fächert sich in der bekannten Reihenfolge von Rot bis Violett auf. Diese Zerlegung weißen Lichts in sein Spektrum heißt Dispersion. Allgemeiner spricht man von Dispersion, wenn ein Vorgang die Lichtrichtung je nach Wellenlänge unterschiedlich stark ändert.

Farben und Wellenlängen

Meist nennen wir etwa sechs Regenbogenfarben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett, manchmal auch Indigo. OpenStax betont, dass das Spektrum kontinuierlich ist. Die Namen bezeichnen Wellenlängenbereiche von etwa 700 nm bei Rot bis etwa 400 nm bei Violett. Empfängt das Auge Licht einer einzigen Wellenlänge, sehen wir gewöhnlich eine dieser Farben. Die vielen anderen wahrnehmbaren Farbtöne entstehen durch die Reaktion des Auges auf Mischungen. Sonnenlicht enthält alle sichtbaren Wellenlängen und erscheint weiß oder ganz leicht gelblich.

Gegenstände erhalten ihre Farbe durch das Licht, das sie zu uns zurückschicken. Ein Blatt erscheint im Sonnenlicht grün, weil es mehr grünes Licht als andere Farben reflektiert und einen großen Teil des übrigen Lichts absorbiert. Bei Beleuchtung ohne Grün erscheint dasselbe Blatt dunkel. Ein Filter wirkt ähnlich auf das hindurchtretende Licht: Ein roter Filter lässt Rot durch und absorbiert die meisten anderen Farben.

Regenbogen

Ein Regenbogen entsteht durch Dispersion in Wassertropfen. OpenStax beschreibt den Lichtweg: Das Licht tritt in einen Tropfen ein, wird an dessen Rückseite reflektiert und tritt wieder aus. Beim Eintritt und Austritt wird es gebrochen. Da der Brechungsindex des Wassers von der Wellenlänge abhängt, treten die Farben unter leicht verschiedenen Winkeln aus. Du siehst einen Regenbogen nur, wenn die Sonne hinter dir steht. Jede Farbe erreicht dein Auge aus Tropfen unter ihrem eigenen Winkel zur Sonnenlichtrichtung. Deshalb ist der Regenbogen ein Bogen. Zwei Reflexionen im Tropfen erzeugen einen schwächeren Nebenregenbogen oberhalb des ersten. Um 1300 untersuchte Kamal al-Din al-Farisi in Persien dies laut OpenStax mit einem großen wassergefüllten Glasgefäß in einer Camera obscura als Ersatz für einen riesigen Regentropfen. Theodor von Freiberg führte in Deutschland ähnliche Versuche durch. Beide bauten auf den Arbeiten Ibn al-Haythams auf.