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1 Was ist Farbe?


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Streuung

Licht in der Wechselwirkung mit Materie
- Wirkung der Farbmittel/Pigmente

Licht kann nur an Partikeln gestreut werden! Das zweite grundlegende optische Phänomen, das verantwortlich ist für die Farbe von Gegenständen, ist die Lichtstreuung. Sie spielt eine viel größere Rolle im Zustandekommen von Farbe als man gemeinhin annimmt. Wenn ein Material keine Lichtabsorption hat, kann es farblos sein oder weiß. "Farblos" meint meist dasselbe wie "glasklar" oder wasserklar.

Glas und Wasser können auch weiß aussehen, nämlich dann, wenn sie in Form von kleinen Partikeln vorliegen: das Glas fein pulverisiert, das Wasser in Form der Schneekristalle oder Wolkentröpfchen.
Wie die Natur die Farbe Weiß macht Polystyrol kann uns als glasklarer Kunststoff oder aber als weißes Styropor® begegnen, wenn es als Schaum polymerisiert wurde. Das ist auch der Trick der Natur "zur Herstellung" der Farbe Weiß. Die weißen Blüten der Margerite enthalten kein Weißpigment, aber feinste Luftlamellen. Das Weiß der Birkenrinde entsteht durch feine Lufteinschlüsse in der Holzmatrix. Die Luftbläschen wirken als lichtstreuende Weißpigmentteilchen, weil sie das Licht aller Wellenlängen gleichmäßig streuen. Die Wolken bestehen aus "wasserklaren" lichtstreuenden Wassertröpfchen.
Keineswegs darf man sich die Lichtstreuung an kleinen Partikeln als "normale" Reflexion vorstellen etwa so, wie das Licht an einer Glasplatte reflektiert wird. Pigmentteilchen wirken nicht wie kleine Spiegelchen, die das Licht in dem Material, in das sie eingebettet sind, hin und her reflektieren. Ein solcher Effekt spielt allenfalls bei ganz grob gemahlenen Mineralien eine Rolle; etwa in Gemälden alter Meister, die ihre Pigmente selbst brannten und im Mörser klein gestoßen haben.    
Hierbei entstehen tatsächlich Teilchen mit spiegelnden Flächen, und das fertige Gemälde enthielt eine gewisse funkelnde Transparenz der Farben - den gewünschten "Lüster". Heute ruft man solche Erscheinungen durch Effektpigmente hervor, deren Wirkung immer auf regulärer Reflexion im Geltungsbereich der Gesetze der geometrischen Optik beruhen.  
Lichtstreuung als
Resonanzerscheinung.
Schwingungen
"im Takt" der
Lichtwellen
Die Lichtstreuung bei den normalen Weiß- und Buntpigmenten erfolgt nach einem komplizierten Mechanismus, und zwar haben wir es hier mit einer Resonanzerscheinung zu tun.
Wenn ein Lichtstrahl mit bestimmter Wellenlänge auf ein Teilchen trifft, gerät es unter bestimmten Bedingungen in eine elektromagnetische Schwingung der gleichen Frequenz wie das anregende Licht. Mit bestimmten Bedingungen sind die Brechzahlen von Pigment und Medium sowie das Verhältnis von Lichtwellenlänge zu Teilchendurchmesser gemeint.
Durch diese Faktoren ist ein Teilchen auf den Empfang ganz bestimmter Wellenlängen abgestimmt und gibt die aufgenommene Energie wie eine Relaisstation unter definierter
Raumwinkelverteilung wieder ab.

Lichtstreung als elektomagnetische Resonanz

Die Mie-Theorie

Da aber nach der Theorie von Mie mehrere Schwingungszustände unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit möglich sind, ergibt sich insgesamt ein ziemlich komplizierter Zusammenhang zwischen Größe, Lichtwellenlänge und Brechzahlen von Teilchen und Medium.

Streuintensität und relativer Partikeldurchmesser

D dividiert durch Lambda = Wellenlänge

Abhängigkeit der Lichtstreuung von der Teilchengrö

Experimentell wurde immer wieder bestätigt, daß für eine bestimmte chemisch und kristallografisch definierte Pigmentart bei festgelegter Brechzahl von Pigment und Medium (wie etwa TiO2-Rutil in einem Alkyd-Melaminsystem) das Lichtstreuvermögen vom der mittleren Teilchengröße der Pigmente in der Weise abhängt, wie es folgende Abbildung zeigt.

Lichtstreung realer Pigmentteilchen

experimentelle Befunde der Pigmentforschung

Über einem schwarzen Untergrund

kann ein Farbeindruck nur entstehen, wenn der Beschichtungsfilm ein lichtstreuendes Pigment enthält

Die Lichtstreuung lässt sich als Differenzialquotient
dR/dx definieren, d.h. als Zunahme der Remission über einem schwarzen Untergrund
bei differenzieller Veränderung der Schichtdicke X

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Lichtstreuung und Brechzahl