Die Farbigkeit von Farbstoffen – eine Einführung

Warum erscheinen Stoffe farbig, warum gibt es Farbstoffe?

Diese Frage beschäftigt die Menschheit schon seit der Antike. Erst in der Neuzeit konnten diese Fragen beantwortet werden. Wie Farbigkeit eines Stoffes zustande kommt, fällt in das Fach „Optik“. Daher wird in diesem Kapitel nur zusammenfassend das Zustandekommen der Farbigkeit erläutert.

Die Farbigkeit von Farbstoffen

Die Farbigkeit von Farbstoffen kommt unter anderem dadurch zustande, dass „farbloses“ oder weißes Licht keine „Einheit“ ist, sondern eine Zusammensetzung von vielen elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge (unterschiedlicher Farben). Wenn wir weißes Licht mit einem Prisma zerlegen, so sehen wir das normale Spektrum des sichtbaren Lichts (ein Farbband von violett bis rot). Das sichtbare Licht ist nur ein Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen und nimmt einen Wellenlängen-Bereich von 400 bis 800 nm ein. Nur dieser Bereich ist für das menschliche Auge sichtbar, d.h. gefärbte Stoffe erscheinen uns farbig, wenn diese elektromagnetische Strahlung im Bereich von 400 bis 800 nm emittiert,

Jede Materie wechselwirkt dabei mit dieser elektromagnetischen Strahlung. Dabei nimmt der Körper, der mit der Strahlung wechselwirkt bestimmte Bereiche der elektromagnetischen Strahlung auf (der Körper absorbiert Teile der Strahlung). Der Rest der elektromagnetischen Strahlung geht durch den Körper hindurch oder wird von diesem reflektiert.

Unter den entsprechenden Bedingungen entstehen so die Farben der Farbstoffe. Die „Farben“ Schwarz und Weiß entstehen durch eine (nahezu) vollständige Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts (= Farbe Schwarz) oder der vollständigen Reflexion des sichtbaren Lichts (= Farbe Weiß).

Die „restlichen“ Farben entstehen gemäß den Grundlagen der Optik.
Haben wir beispielsweise einen „Farbstoff“ vorliegen, der mit weißem Licht bestrahlt wird und elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich des blauen Lichts absorbiert, so erscheint der Farbstoff nicht blau, sondern gelb. Dies resultiert daraus, dass aus dem gesamten Spektrum des sichtbaren Lichts der blaue Bereich absorbiert worden ist und der Rest reflektiert. Dieser Rest (der anderen Wellenlängen des sichtbaren Lichts) „addiert“ sich zu einer gelben Farbe.

Die Bildung der Farben von Farbstoffen basiert auf den Grundprinzipien der additiven und subtraktiven Farbmischung (siehe auch die entsprechenden Kapitel im Physik-Optik-Bereich von Lernort-Mint). Addiert man beispielsweise „rotes“, „grünes“ und „blaues“ Licht, so erhält man weißes Licht. Addiert man „rotes“ und „grünes“ Licht, so erhält man gelbes Licht.

Ein menschliches Auge nimmt die Farbigkeit durch sogenannte Zapfen in der Netzhaut wahr. Obwohl der Mensch über mehrere Millionen Zapfen verfügt, liegen beim Menschen nur drei „Wahrnehmungsbereiche“ vor. Die Empfindlichkeitsmaxima der Zapfen liegen bei 575, 535 und 440 nm, also den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Dadurch erhält der Mensch durch die Sinnesorgane die Möglichkeit, durch additive Farbmischung als Farbtöne zu erzeugen und auch wahrzunehmen.