Sichtbares Spektrum

Das sichtbare Spektrum ist der Anteil des elektromagnetischen Spektrums, der für das menschliche Auge sichtbar ist. Elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängenbereich wird sichtbares Licht oder einfach Licht genannt. Ein typisches menschliches Auge wird auf Wellenlängen von etwa 390 bis 700 nm ansprechen. In Bezug auf die Frequenz entspricht dies einer Bande in der Nähe von 430-770 THz.

Das Spektrum enthält jedoch nicht alle Farben, die menschliche Augen und Gehirn unterscheiden können. Ungesättigte Farben wie rosa oder violette Variationen wie Magenta fehlen beispielsweise, weil sie nur durch eine Mischung mehrerer Wellenlängen hergestellt werden können. Farben, die nur eine Wellenlänge enthalten, werden auch reine Farben oder Spektralfarben genannt.

Sichtbare Wellenlängen passieren das “optische Fenster”, den Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der es ermöglicht, dass Wellenlängen weitgehend ungedämpft durch die Erdatmosphäre gelangen. Ein Beispiel für dieses Phänomen ist, dass saubere Luft blaues Licht mehr als rote Wellenlängen streut, und so erscheint der Mittagshimmel blau. Das optische Fenster wird auch als “sichtbares Fenster” bezeichnet, da es das menschliche sichtbare Antwortspektrum überlappt. Das Nahinfrarot (NIR) -Fenster liegt gerade außerhalb der menschlichen Sicht, ebenso wie das Mittelwellenlängen-IR (MWIR) -Fenster und das Langwellenlängen- oder Ferninfrarot- (LWIR oder FIR) -Fenster, obwohl andere Tiere sie erfahren können.

Geschichte
Im 13. Jahrhundert theoretisierte Roger Bacon, dass Regenbögen durch einen ähnlichen Prozess wie Licht durch Glas oder Kristall erzeugt wurden.

Im 17. Jahrhundert entdeckte Isaac Newton, dass Prismen weißes Licht zerlegen und wieder zusammensetzen konnten, und beschrieb das Phänomen in seinem Buch Opticks. Er war der erste, der das Wortspektrum (lateinisch für “Erscheinung” oder “Erscheinung”) 1671 in diesem Sinne im Druck benutzte, um seine Experimente in der Optik zu beschreiben. Newton beobachteten, dass, wenn ein schmaler Strahl von Sonnenlicht in einem Winkel auf die Oberfläche eines Glasprismas auftrifft, etwas reflektiert wird und ein Teil des Strahls in und durch das Glas hindurchtritt und als verschiedenfarbige Bänder austritt. Newton hypothetisches Licht besteht aus “Korpuskeln” (Teilchen) unterschiedlicher Farben, wobei sich die verschiedenen Farben des Lichts in transparenter Materie mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen, wobei sich rotes Licht im Glas schneller bewegt als Violett. Das Ergebnis ist, dass rotes Licht weniger scharf als das Violett gebogen (gebrochen) wird, wenn es durch das Prisma läuft, und ein Spektrum von Farben erzeugt.

Newton unterteilt das Spektrum in sieben benannte Farben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Er wählte sieben Farben aus einem Glauben, der von den antiken griechischen Sophisten abgeleitet wurde, dass eine Verbindung zwischen den Farben, den Musiknoten, den bekannten Objekten im Sonnensystem und den Wochentagen besteht. Das menschliche Auge ist relativ unempfindlich gegenüber den Frequenzen des Indigos, und einige Menschen, die sonst gute Sicht haben, können Indigo nicht von Blau und Violett unterscheiden. Aus diesem Grund haben einige spätere Kommentatoren, einschließlich Isaac Asimov, vorgeschlagen, dass Indigo nicht als eine eigenständige Farbe betrachtet werden sollte, sondern lediglich als ein Farbton von Blau oder Violett. Die Beweise deuten jedoch darauf hin, was Newton gemeint ist “Indigo” und “Blau” entspricht nicht den modernen Bedeutungen dieser Farbwörter. Der Vergleich von Newtons Beobachtung von prismatischen Farben mit einem Farbbild des sichtbaren Lichtspektrums zeigt, dass “Indigo” dem entspricht, was heute als Blau bezeichnet wird, während “Blau” Cyan entspricht.

Im 18. Jahrhundert schrieb Goethe in seiner Theorie der Farben über optische Spektren. Goethe benutzte das Wort Spektrum, um ein geisterhaftes optisches Nachbild zu bezeichnen, ebenso wie Schopenhauer in On Vision and Colours. Goethe argumentierte, dass das kontinuierliche Spektrum ein zusammengesetztes Phänomen sei. Woher Newton Um das Phänomen zu isolieren, hat Goethe den Lichtstrahl eingegrenzt. Goethe hat beobachtet, dass eine breitere Apertur nicht ein Spektrum erzeugt, sondern rötlich-gelbe und blau-cyanfarbene Kanten mit Weiß dazwischen. Das Spektrum erscheint nur, wenn diese Kanten nahe genug sind, um sich zu überlappen.

Im frühen 19. Jahrhundert wurde das Konzept des sichtbaren Spektrums deutlicher, da Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs von William Herschel (Infrarot) und Johann Wilhelm Ritter (Ultraviolett), Thomas Young, Thomas Johann Seebeck und anderen entdeckt und charakterisiert wurde. Young war der erste, der 1802 die Wellenlängen verschiedener Lichtfarben maß.

Die Verbindung zwischen dem sichtbaren Spektrum und dem Farbsehen wurde im frühen 19. Jahrhundert von Thomas Young und Hermann von Helmholtz erforscht. Ihre Theorie der Farbensehen richtig vorgeschlagen, dass das Auge drei verschiedene Rezeptoren verwendet, um Farbe wahrzunehmen.

Tierfarben-Vision
Viele Arten können Licht innerhalb von Frequenzen außerhalb des menschlichen “sichtbaren Spektrums” sehen. Bienen und viele andere Insekten können ultraviolettes Licht erkennen, was ihnen hilft, Nektar in Blumen zu finden. Pflanzenarten, die auf Insektenbestäubung angewiesen sind, können ihrem Auftreten im ultravioletten Licht eher einen Fortpflanzungserfolg verdanken, als dass sie für den Menschen farbig erscheinen. Auch Vögel können in das Ultraviolette (300-400 nm) sehen, und einige haben geschlechtsabhängige Markierungen auf ihrem Gefieder, die nur im ultravioletten Bereich sichtbar sind. Viele Tiere, die in den ultravioletten Bereich sehen können, können jedoch kein rotes Licht oder andere rötliche Wellenlängen sehen. Das sichtbare Spektrum der Bienen endet bei etwa 590 nm, kurz bevor die orange Wellenlängen beginnen. Vögel können jedoch einige rote Wellenlängen sehen, wenn auch nicht so weit in das Lichtspektrum hinein wie Menschen. Der verbreitete Glaube, dass der Goldfisch das einzige Tier ist, das sowohl Infrarot- als auch UV-Licht sehen kann ist falsch, weil Goldfische kein Infrarotlicht sehen können. In ähnlicher Weise wird oft angenommen, dass Hunde farbenblind sind, aber es wurde gezeigt, dass sie gegenüber Farben empfindlich sind, jedoch nicht so viele wie Menschen.

Spektralfarben
Farben, die durch sichtbares Licht eines schmalen Wellenlängenbandes (monochromatisches Licht) erzeugt werden können, werden als reine Spektralfarben bezeichnet. Die verschiedenen Farbbereiche, die in der Abbildung angegeben sind, sind eine Annäherung: Das Spektrum ist kontinuierlich, ohne klare Grenzen zwischen einer Farbe und der nächsten.

Spektroskopie
Spektroskopie ist die Untersuchung von Objekten auf der Grundlage des Spektrums von Farben, die sie emittieren, absorbieren oder reflektieren. Die Spektroskopie ist ein wichtiges Untersuchungswerkzeug in der Astronomie, in dem Wissenschaftler die Eigenschaften entfernter Objekte analysieren. Typischerweise verwendet die astronomische Spektroskopie Hochdispersions-Beugungsgitter, um Spektren bei sehr hohen spektralen Auflösungen zu beobachten. Helium wurde zuerst durch Analyse des Sonnenspektrums nachgewiesen. Chemische Elemente können in astronomischen Objekten durch Emissionslinien und Absorptionslinien nachgewiesen werden.

Die Verschiebung von Spektrallinien kann verwendet werden, um die Dopplerverschiebung (Rotverschiebung oder Blauverschiebung) von entfernten Objekten zu messen.

Farbdisplay-Spektrum
Farbdisplays (z. B. Computermonitore und Fernsehgeräte) können nicht alle vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farben wiedergeben. Farben außerhalb des Farbumfangs des Geräts, wie z. B. die meisten Spektralfarben, können nur angenähert werden. Zur farbgetreuen Wiedergabe kann ein Spektrum auf ein gleichmäßiges Graufeld projiziert werden. Die resultierenden gemischten Farben können alle ihre R-, G-, B-Koordinaten nicht negativ haben und können so ohne Verzerrung reproduziert werden. Dies simuliert genau das Betrachten eines Spektrums auf einem grauen Hintergrund.