Sexl Physik 7, Schulbuch

| 38 Antwort auf die Eingangsfrage: Die Farben dünner Schichten Das Schillern einer Seifenblase ist ein optisches Phänomen, das uns seit unserer Kindheit staunen lässt. Schillernde Farben können wir überall dort beobachten, wo Licht auf sehr dünne durchsichtige Schichten fällt, wie etwa an einem Benzinfilm ( 38.1 ). Experimente: Farben dünner Schichten 38.1 Du brauchst: Draht, Seifenlösung, Lampe. Was ist zu tun? Forme aus Draht einen Ring und tauche ihn in die Seifenlösung. Zie- he ihn heraus und betrachte die Seifenlamelle im reflektierten und im durchgehenden Licht. 38.2 Du brauchst: dunkle Schale, Wasser, Halogenlampe, Spiegel, Speiseöl, Pipette. Was ist zu tun? Fülle Wasser in die Schale. Beleuchte die Wasseroberfläche und pro- jiziere sie mit einem Spiegel auf eine Wand. Gib einen kleinen Tropfen Öl auf das Was- ser. Betrachte die Ölschicht aus unterschiedlichen Blickwinkeln und beschreibe deine Beobachtung. Wenn du die Seifenlamelle oder den Ölfilm aus unterschiedlichen Winkeln be­ trachtest, ändern sich seine Farben. Wie lässt sich dies erklären? Eine Seifenbla­ se und ein Benzinfilm haben eines gemeinsam: Sie sind extrem dünn. Ihre Dicke liegt im molekularen Bereich (vgl. Physik 5). Trifft Licht auf eine derartige Schicht, wird ein Teil an der Oberfläche reflektiert, ein Teil in die Flüssigkeit (Öl oder Sei­ fenlösung) hinein gebrochen und an der Unterseite reflektiert. Die an der Unter­ seite reflektierten Strahlen gehen zur Oberfläche zurück, werden dort wieder zum Teil in die Flüssigkeit hineinreflektiert, zum Teil treten sie aus der Flüssigkeit aus. An der Oberfläche treffen nun einerseits die „ankommenden“ Strahlen, anderer­ seits jene, die aus der Flüssigkeit zurückkommen, zusammen. Je nachdem, in wel­ cher Phase sich die beiden Wellen befinden, verstärken oder schwächen sie ein­ ander. Entscheidend dafür ist der Gangunterschied, also der Wegunterschied der beiden Wellen (vgl. Physik 6, S. 85). Beträgt er ein Vielfaches der Wellenlänge λ , so verstärken sich die Wellen, beträgt er ein ungeradzahliges Vielfaches von λ /2 , so löschen sie einander aus. Der Gangunterschied hängt von der Dicke der Schicht ab, von der Blickrichtung und auch von der jeweiligen Wellenlänge. Zu berück­ sichtigen ist weiters, dass bei der Reflexion am optisch dichteren Medium (an der Grenzschicht Luft – Seifenlösung bzw. Ölfilm – Wasser) ein Phasensprung von λ /2 eintritt (vgl. Physik 6, S. 86). An einer bestimmten Stelle der Oberfläche der betrachteten Seifenlamelle (oder des Ölfilms) werden sich aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen einzelne Farben auslöschen, andere verstärken. Wir sehen ein Gemisch aus jenen Farben, die sich verstärken. Je nach Blickrichtung wird sich diese Mischung ändern. Auf dieselbe Weise entstehen auch die Farben der Seifenblasen und die bunt schillern­ den Benzinschichten auf regennassen Straßen. Nur dünne Schichten zeigen bei Beleuchtung mit weißem Licht Farberscheinungen. Da diese Farben durch Interferenz zustande kommen, bezeichnet man sie als „In­ terferenzfarben“. Eine wichtige Anwendung finden dünne Schichten bei der Vergütung optischer Linsen in optischen Geräten und bei der Entspiegelung von Brillengläsern. Man dampft auf die Oberflächen der Linsen eine sehr dünne Schicht eines durchsich­ tigen Stoffes auf, dessen Brechungsquotient kleiner ist als der Brechungsquotient von Glas. Das Licht wird dann an der Vorder und an der Rückseite dieser Schicht reflektiert, wobei es bei jeder Reflexion einen Phasensprung von einer halben Wel­ lenlänge erfährt. Macht man die Schicht genau eine Viertelwellenlänge dick, so erhalten die Strahlen relativ zueinander einen Gangunterschied von einer halben Wellenlänge und löschen einander weitgehend aus. Die Auslöschung wäre voll­ ständig, wenn die Strahlen an der Vorder und an der Rückseite der Schicht mit der gleichen Intensität reflektiert würden. Das ist leider nicht der Fall. Dennoch kann man auf diese Weise die Intensität des reflektierten Lichts stark vermindern. 38.1 Benzinfilm auf feuchtem Asphalt. Die Farberscheinungen entstehen durch Interfe- renz. Luft Seifenhaut Luft d 38.2 Seifenlamelle im reflektierten und im durchgehenden Licht. Im Auge des Betrachters werden die von der Seifenlamelle kommenden Strahlen gesammelt und erzeugen auf der Netzhaut ein Bild. Das auf die Seifenlamelle fallende Licht wird an der Ober- und an der Unterseite der Seifenschicht reflektiert. An der Oberfläche de Ölfilms interferieren die an der Oberfläche reflektierten Strahlen mit den aus dem Ölfilm austretenden Strahlen. Betragen an einer Stelle die Unterschiede ein ungerad- zahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge, so löschen die Strahlen einander aus. Ist der Unterschied ein geradzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge, so verstärken sie einander. Zu berücksichtigen ist ferner ein Phasensprung von λ /2 an der Grenzfläche zum optisch dichteren Medium. Auslöschung oder Verstärkung einzelner Farben hängen von der Blickrichtung und von der Schichtdicke ab. Analoge Überlegungen gelten für das durch- gehende Licht. 38.3 Die Farben von Seifenblasen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv