Warum absorbiert schwarze Farbe Licht?
Ich hab mich öfters schon gefragt warum schwarze Farbe Licht absorbiert aber im Internet kommen nur Antworten wie schwarze Farbe absorbiert das Licht am meisten oder so in etwa. Gibt es da keine Erklärung wirklich dazu. Ich habe eine These aufgestellt das es daran liegt das schwarz aus mehreren Farben besteht und darum das Licht besser aufnehmen kann als andere Farben aber ich weiß nicht ob das richtig ist.
5 Antworten
Hallo Shadowcraft0,
eigentlich ist es umgekehrt: Eine Farbe, die in der Lage ist, das meiste Licht (zumindest das sichtbare) zu absorbieren, und zwar weitgehend unabhängig von der Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Bereichs, wirkt "schwarz", wobei das Wort eigentlich nicht ganz akkurat ist. Ein wirklich schwarzer Körper würde alles Licht absorbieren. Am nächsten kommt dem Vantablack, das 3D- Körper wie Silhouetten aussehen lässt.
Was absorbiert wird, hängt mit der Struktur (Vantablack z.B. besteht aus Nano- Röhrchen) und der Energieniveaustruktur des Stoffes zusammen. Je mehr Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus die Moleküle, aus denen ein Stoff besteht, erlauben, desto mehr Lichtwellenlängen bzw. Lichtfrequenzen kann er absorbieren.
Einzelne Atome können oft nur einzelne Frequenzen fᵢ absorbieren, für die je zwei Zustände, in denen sich Elektronen befinden, die richtigen Abstände Eᵢ = h∙fᵢ haben.
Abb. 1: Zwei Zustände eines Elektrons im Atom
Farbstoffe haben oft ausgedehnte delokalisierte Systeme von Elektronen und haben deshalb ganze Bereiche, auf denen sie absorbieren.
Ich habe eine These aufgestellt das es daran liegt das schwarz aus mehreren Farben besteht...
Auf manche schwarzen Farben trifft das zu. Sie lassen sich etwa durch ein Chromatogramm aufspalten und zeigen dabei verschiedene Komponenten; was eine davon nicht absorbieren kann, das absorbiert dann eben die andere.
Lass uns mal auf Mikroskopischer Ebene durchleuchten was bei der Absorption und Reflektion passiert.
trifft eine elektromagnetische Welle (Licht ist nichts anderes als eine elektromagnetische Welle) in Form eine Photons also dem kleinsten Paket der Welle, auf ein Elektron eines Atoms, so wird dem Elektron Energie hinzugefügt.
Die Energie die dem Elektron hinzugefügt wird kann berechnet werden durch die Energie des Photons:
E=h*f
Durch die Zuführung von Energie gelangt das Elektron nun von einem Energieniveau innerhalb des Atoms auf ein anderes. Da der dazwischen liegende Raum nicht durchquert wird und die jeweiligen Bereiche genau Quantifiziert sind, nennt man diesen Sprung auch "Quantensprung".
Da dieser Zustand des Elektrons instabil ist, wird das Elektron in seinen Grundzustand zurück kehren, da es Energetisch am günstigsten ist. Beim zurückspringen wird die Energie frei in Form eines Photons, es kommt zu einer Emission, das Photon wird vom Elektron emittiert.
Wichtig hierbei. Die zugeführte Energie muss genau der Energiemenge entsprechen die für den Quantensprung notwendig ist ansonsten kann kein Photon emittiert werden. Diese Energie führt viel mehr zu einer Unruhe des Atoms und regt diesen zum schwingen an. Die Energie des Photons wird in Wärme umgewandelt.
Kommt nun also ein Photon die genau die Energie trägt die ausreichend für einen Quantensprung ist und noch ein bisschen mehr der nicht mehr für einen weiteren Sprung ausreicht, so wird dieses bisschen was das Photon mehr an Energie mitbringt in Wärme umgewandelt während der Rest emittiert wird.
Stoffe die nun Schwarz erscheinen können trotzdem emittieren aber diese emittieren nicht das Sichtbare Licht, deshalb erscheinen sie schwarz sie können aber z.b. elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich emittieren oder eben andere Wellen die nicht von unserem Auge erfasst werden können.
Die überschüssige Energie wird in Wärme umgewandelt. Deshalb werden schwarze Stoffe auch schneller durch elektromagnetische Strahlung erwärmt wie weiße Stoffe, denn die machen genau das umgekehrte, sie emittieren das gesamte sichtbare Lichtspektrum, deshalb sind sie auch weiß.
Was du beschreibst sind Absorptionslinien im Spektrum. Das ist aber nur ein ganz kleiner Teil.
Gerade wie du sagst können Atome nur durch diskrete Energien angeregt werden. Also kleine bruchteile im Spektrum.
Bei einem idealen schwarzen Körper wird aber das gesamte Spektrum absorbiert. Deine Formulierung kann das nicht erklären.
Dieser Vorgang erklärt, warum überhaupt Emittiert und Absorbiert wird und darauf wollte ich auch hinaus. nun besteht ein Stoff ja nicht nur aus einem Element sondern eben aus mehreren und die Emission überlagern sich und geben die ganzen Komplementärfarben.
Bei einem schwarzen Körper wird eben lediglich kein Licht im sichtbaren Spektrum emittiert, deshalb erscheint dieser Schwarz. einfallendes Licht im Sichtbaren spektrum trägt die Energie E=h*f mit sich. Der Teil der Energie der nicht emittiert wird, wird in Wärme umgewandelt.
Ein idealer Schwarzer Körper existiert in der Realität nicht, da alles den Hauptsätzen der Thermodynamik folgen muss, das heißt auch ein Schwarzer Körper muss seine Energie in Form von thermischer Strahlung z.b. loswerden und genau das tut er auch das ist sehr wohl damit erklärbar.
im Falle des Schwarzen Körpers gilt demnach das Strahlungsgesetz:
Strahlungsleistung P ist proportional zur Temperatur^4
Die Übergänge spielen auch eine Rolle. Aber das ist bei weitem nicht vollständig.
Auch wenn du mehrere verschiedene Atome hast, reichen deren Übergänge nicht aus um das gesamte Spektrum abzufangen, selbst dann ist das nur ein Bruchteil, weil es eben diskret ist.
Schau dir die Frauenhofer Linien an. Selbst wenn die nicht alle Atome in deiner Hose zeigen, hast du immernoch riesen Anteile die nicht durch diesen Vorgang absorbiert werden können.
Auch ein idealer schwarzer Körper strahlt. Und ich meine mich zu erinnern, das die Herleitung des Strahlungsgesetz auf einem idealen schwarzen Körper basiert.
Die Absorptionslinien von Frauenhofer beziehen sich nicht nur auf die Teile des Lichts die absorbiert werden. Die Linien entstehen dadurch, da nur diese Teile des Lichts von dem jeweiligen Atom "Emittiert" wird. Das heißt nur diese Anteile in denen diese Linien vorkommen werden vom Atom Emittiert alle anderen Anteile nicht. Der Grund warum die Absorptionslinien entstehen ist schlicht und ergreifend der, dass die Richtung in die das Emittierte Licht abgegeben ist zufällig ist.
Ich denke also, dass du das in meiner Erklärung lediglich falsch verstanden hast. Da die Energie abgegeben wird nur eben in eine andere Richtung, führt diese Energie eben nicht zum erwärmen des Stoffes. Einfallendes Licht kann aber nicht nur Elektronen anregen sondern auch das Atom zum schwingen anregen und das nennen wir Wärme. Das heißt die Energie die das Photon mitbringt wird von dem Schwarzen Stoff überwiegend in Wärme umgewandelt. Der Teil der Energie der dann doch in Form eines Photons emittiert wird hat eine ganz andere Frequenz und damit eine ganz andere Energie.
Das das Strahlungsgesetz auf einem idealen Schwarzen Körper basiert ist richtig.
aber im Internet kommen nur Antworten wie schwarze Farbe absorbiert das Licht am meisten oder so in etwa.
Du warst in der falschen Internet-Ecke. Hier eine bessere:
https://de.wikipedia.org/wiki/Absorption_(Physik)#Sichtbares_Licht
Farbe ist keine physikalische Eigenschaft von Licht, sondern unsere menschliche Wahrnehmung. Schwarz ist die Farbwahrnehmung, die der Abwesenheit eines (Licht)Signals entspricht. Da macht es doch Sinn, dass schwarze Gegenstände Licht absorbieren, denn dann wird es nicht reflektiert, gelangt nicht in unsere Augen und unser Hirn meldet "kein Licht, ich seh schwarz". ;)
Nicht ganz, Farbe hat schon eine physikalische Bedeutung. Du hast schon ein Spektrum, d.h. die Farbe erzählt dir wie viel Energie das Licht transportiert.
Was du glaube ich meinst, ist unsere Wahrnehmung. Was du als "gelb" siehst kann jemand anderes eventuell ganz anders wahrnehmen. Das ist nichtmehr physikalisch. Trotzdem haben wir diese Informationen verknüpft, und können deswegen Aussagen über die Natur des Lichtes anhand ihrer Farbe tätigen.
Es gibt kein Messgerät, um die Farbe des Lichts zu messen, nur Messgeräte um Wellenlänge bzw. Frequenz zu messen. Übrigens kann zum Beispiel Farbe "gelb" eine Spektralfarbe sein, also aus "gelben" Photonen bestehen oder aber auch ein Farbgemisch sein, also aus "grünen" und "roten" Photonen bestehen. Physikalisch zwei völlig unterschiedliche Situationen aber unsere Wahrnehmung kann sie nicht auseinanderhalten.
Ja du kannst die Frequenz und Wellenlänge messen.
Wenn du jetzt eine monochromatische Lichtquelle nimmst, die für dich rot erscheint, kannst du einfach die Frequenz bestimmen.
Diese Frequenz ist die von rotem Licht.
Schau dir das Spektrum vom sichtbaren Licht an. Da kannst du klip und klar sagen, welche Bereiche welche Farben sind.
Sieht ein Mensch Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 580nm, benennt er es mit gelb.
Dementsprechend gibt es Messgeräte um die Farbe von Licht zu bestimmen.
Albedo Effekt. Helle Farben reflektieren die Sonne Strahlung stärker.
danke für die verständliche information