Tyndall-Effekt bei Goldkolloiden

Die Physik des Trinkens – Optische Eigenschaften

Wie kommt es eigentlich dazu, dass wir einen Rotwein als „rubin-rot“ oder „kirsch-rot“ wahrnehmen und uns vortrefflich darüber streiten können, ob der Weißwein nun grüne Reflexe hat oder nicht? All dies hat primär mit Wechselwirkungen von Licht und dem betrachteten Objekt zu tun. Aber was genau ist eigentlich Licht? Und wie kommt es zur Entstehung der verschiedenen Farben?

Entstehen von Farbe
Unsere Sonne sendet ständig Strahlung in die Weiten des Weltalls hinaus. Dabei handelt es sich, neben Teilchenstrahlung, um elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 140 nm bis 10 cm. Unter elektromagnetischer Strahlung versteht man eine Welle aus gekoppelten magnetischen und elektrischen Feldern, die je nach Wellenlänge für das menschliche Auge sichtbar oder unsichtbar ist. Das sichtbare Spektrum liegt beim Menschen ungefähr zwischen 375 nm bis 785 nm. Größere Wellenlängen liegen im Infrarotbereich (für Schlangen sichtbar), kleinere Wellenlängen im Ultraviolett-Bereich (für Bienen sichtbar). Innerhalb des für den Menschen sichtbaren Spektrums, lässt sich eine Unterteilung in die verschiedenen uns bekannten Farben vornehmen.

Das sichtbare Spektrum

Das sichtbare Spektrum

Die Retina unseres Auges enthält, neben hell-dunkel Rezeptoren, sogennante Zapfen die sensitiv für die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche sind. Vereinfacht gesagt, gibt es drei verschiedene Zapfe, die für die drei Wellenlängenbereiche von Rot (±560nm) , Grün (±530 nm) und Blau (±420 nm) optimiert sind. Je nachdem, welcher Zapfentyp stärker angesprochen wird, ändert sich die Farbwahrnehmung des einfallenden Lichtes und durch Kombination der Zapfensignale ergeben sich Mischfarben wie beispielsweise orange, blaugrün oder purpur rot. Durch Mischen von Licht mit verschiedenen Wellenlängen lassen sich also sämtliche uns bekannten Farben erzeugen (additive Farbmischung). Neben der additiven Farbmischung  gibt es auch die subtraktive Farbmischung, die darauf beruht, dass bestimmte Wellenlängen beim Durchgang durch ein Medium herausgefiltert werden.
Dies ist beim Rotwein der Fall, wo das eintreffende grüne Licht durch die enthaltenen Farbstoffe (Anthocyane) absorbiert wird und das austretende Licht somit Rot erscheint. Je nach Art des Farbstoffes variiert die Wellenlänge des absorbierten Lichtes jedoch, so dass beispielsweise auch gelbe Wellenlängen absorbiert werden und der Wein violetter erscheint.

Rotwein im Glas

Rotwein im Glas

Wie man auf dem obigen Bild deutlich erkennen kann, hat auch die Schichtdicke des Weines einen Einfluss auf die wahrgenommene Farbe. Während der Wein am Rand heller erscheint, wird er zur Mitte hin dunkler, da die Lichtstrahlen hier einen längeren Weg durch das Medium zurücklegen müssen und dadurch auf eine höhere Anzahl an absorbierenden Stoffen treffen, die das Ausmaß der Absorption ändern.

Lichtbrechung
Eine weitere optische Eigenschaft, die für den Lebensmittelbereich interessant ist, ist die Lichtbrechung (Refraktion). Unter Brechung versteht man die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer (Licht)Welle, wenn sie auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. Luft – Wasser) trifft. Betrachtet man in der Bar zum Beispiel ein Strohhalm in einem Glas, so fällt auf, dass dieser abgeknickt aussieht:

Glas mit Strohhalm

Glas mit Strohhalm

Das Licht, welches uns den „abgeknickten“ Teil des Strohhalms wahrnehmen lässt, dringt von unter der Wasseroberfläche durch die Luft zu unserem Auge (Verlauf der gelben Pfeile). Dabei tritt der Lichtstrahl vom optisch dichteren Medium (Wasser) in das optisch dünnere Medium (Luft) über. Da die Lichtgeschwindigkeit an der Luft höher ist als im Wasser wird der Lichtstrahl vom Lot (rote Linie) weggebrochen, wodurch uns der untere Teil des Strohhalms versetzt erscheint.

Totalreflexion
Ein besonderes Phänomen der Lichtbrechung ist die Totalreflexion. Diese tritt ein, wenn der Winkel des einfallenden Lichtes einen bestimmten Wert, den Grenzwinkel der Totalreflexion, überschreitet. Der Lichtstrahl wird dann nicht mehr in das andere Medium gebrochen, sondern an der Grenzfläche nahezu vollständig reflektiert.

Totalreflexion

Totalreflexion

Wir alle kennen diesen Effekt aus dem Schwimmbad. Wenn man knapp unter der Wasseroberfläche taucht, so ist es nicht möglich hinauszuschauen, sondern man sieht nur die reflektierende Wasseroberfläche. Im Grenzfall dieses Phänomens beträgt der Brechungswinkel 90° und das Licht entläuft entlang der Grenzfläche der beiden Medien. Diesen Effekt kann man sich auch bei der Lebensmittelanalytik zu nutzen machen – Genauer gesagt bei der Refraktometrie.

Refraktometrie
Oft sieht man Winzer vor der Lese mit kleinen röhrenförmigen Geräten im Weinberg hantieren. Dabei handelt es sich um Handrefraktometer, die der Winzer zur Schnellbestimmung des Zuckergehalts in den Trauben einsetzt. Dazu drückt er eine Traube aus und tropft etwas Saft auf das Messprisma des Refraktometers. Je nach Saccharose-Konzentration der Flüssigkeit wird der durch eine Lichtquelle (oder Sonnenlicht) auftreffende Lichtstrahl unterschiedlich stark gebrochen und die Brechzahl auf einer Skala angezeigt. Mit Hilfe von Tabellen die Konzentrations-Brechzahl-Werte enthalten, lässt sich das Mostgewicht der Trauben somit schnell und einfach bestimmen.

Handrefraktometer

Handrefraktometer

Warum ist Eischnee weiß?
Wenn ein Eiweiß in den Shaker gibt, so ist dieses vorerst klar. Nach dem Shaken hat sich jedoch zu Eischnee verwandelt und bildet optimalerweise eine leckere Schaumkrone auf dem Ramos Gin Fizz. Im Gegensatz zu vorher ist der entstandene Eischnee allerdings weiß. Wie kommt es dazu? Die klare Farbe des Eiweißes ist auf die Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkeit zurückzuführen, da das Licht von der Quelle ungehindert zum Auge gelangen kann. Der weiße Eindruck des Eischnees entsteht durch die vielfache Streuung und Brechung des Lichtes an den im Eischnee eingeschlossenen Luftbläschen. Das eintreffende polychromatische (viel-farbige) Licht wird wie bei einem Prisma in viele unterschiedliche monochromatische Lichtstrahlen aufgeteilt und diese wieder mehrfach reflektiert. Dadurch, dass die monochromatischen Lichtstrahlen in vielen unterschiedlichen Winkeln und auch zeitlich versetzt auf das Auge treffen, nehmen wir dieses Licht als weiß war. Ein ähnlicher Effekt lässt sich auch bei Glas beobachten – Zerkleinert man beispielsweise eine Flasche aus Braunglas sehr stark, so erscheinen die Glassplitter irgendwann weiß.

Brechung von polychromatischem Licht

Brechung von polychromatischem Licht

Der Tyndall-Effekt
Dieser Effekt der Lichtstreuung lässt sich auch an submikroskopischen Schwebeteilchen ausmachen. Beim dem nach seinem Entdecker John Tyndall benannten Effekt, werden beispielsweise Laserstrahlen im Rauch sichtbar. Der durch den Rauch geschickte Lichtstrahl, wird dabei an Partikeln  mit Abmessungen ähnlich der Lichtwellenlänge gebrochen und lässt den Laserstrahl dadurch sichtbar erscheinen.

Tyndall-Effekt bei Goldkolloiden

Tyndall-Effekt bei Goldkolloiden

Der Tyndall-Effekt wird sich auch heutzutage noch in der manuellen Champagnerproduktion zu Nutzen gemacht. Beim Rütteln der Flaschen muss der Remueur (der Flaschenrüttler) vorher feststellen ob sich die Trübstoffe des Champagners schon erwartungsgemäß abgesetzt haben. Er benutzt dafür eine schwache Lichtquelle und kann durch den Tyndall-Effekt erkennen, ob sich noch freischwebender Trub in der Flasche befindet.

Die optischen Eigenschaften von Lebensmitteln sind also nicht nur für deren Wahrnehmung wichtig, sondern sind auch für die Lebensmittelanalytik unverzichtbar.

Robin Stein

Robin Stein, Jahrgang 1987, ist studierter Lebensmitteltechnologe und der Jüngste im Team. Sein Weg führte ihm nach dem Abitur 2006 über ein viermonatiges Praktikum in Pusser's New York Bar in München nach Bergisch-Gladbach, wo er eine Ausbildung als Hotelfachmann im Schlosshotel Lerbach absolvierte. Seine persönlichen Honigfallen sind Champagner, Obstbrände, Wein und Whisk(e)y.

Roussillon Cobbler
Charles Schumann und Bruno Paillard

4 Kommentare

  1. Habe ich das richtig verstanden: Wir sehen nur die reflektieren Lichtpartikel. Das bedeutet dann aber, dass beispielsweise der Rotwein alles ist, ausser rot. Wir sehen also genau die Farbe, die das Produkt nicht absorbiert. Somit sehen wir nicht das was ist, sondern eher das, was nicht ist. Das ist schon fast philosophisch.

  2. Robin Stein

    Genau! Du siehst im Endeffekt nur die Wellenlängen, die nicht absorbiert werden. Farbe ist allerdings kein Zustand und keine Stoffeigenschaft sondern eine Empfindung. Die Lichtstrahlen an sich sind farblos und erst die Verarbeitung im Gehirn lässt einen Farbeindruck entstehen.

  3. ZeeD

    Nicht nur die reflektierten Photonen, auch die transmittierten werden wahrgenommen. Und nein, da Farbe rein von der Wahrnehmung rührt ist der Wein rot. Rot heißt dann einfach, dass Licht der Wellenlänge um 750 nm nicht absorbiert wird.

  4. Schorse

    An sich gut erklärt, jedoch würde ein wenig Mathematisierung nicht schaden. Das Lambert-Beersche Gesetz und der Komplexe Brechungsindex wären beispielsweise eine ideale Ergänzung.

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