Sexl Physik 7, Schulbuch

? Antwort auf die Eingangsfrage: Die Farben dünner Schichten Das Schillern von Seifenblasen 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 ( 70.1 ). Experimente: Farben dünner Schichten 70.1 E 1 Du brauchst : Draht, Seifenlösung, Lampe. Forme aus Draht einen Ring und tauche ihn in die Seifenlösung. Ziehe ihn heraus und betrachte die Seifenlamelle im reflektierten und im durchgehenden Licht. Be- obachte und protokolliere! 70.2 E 1 Du brauchst : dunkle Schale, Wasser, Halogenlampe, Spiegel, Speiseöl, Pipette. Fülle Wasser in die Schale. Beleuchte die Wasseroberfläche und projiziere sie mit einem Spiegel auf eine Wand. Gib einen kleinen Tropfen Öl auf das Wasser. Be- trachte die Ölschicht aus unterschiedlichen Blickwinkeln und beschreibe deine Be- obachtung. Wenn du die Seifenlamelle oder den Ölfilm aus unterschiedlichen Winkeln be- trachtest, ändern sich die Farben. Wie lässt sich dies erklären? Seifenblase und Ölfilm haben eines gemeinsam: Sie sind extrem dünn. Ihre Dicke liegt im molekularen Bereich (vgl. Physik 5, S. 13). Trifft Licht auf eine derartige Schicht, wird ein Teil an der Oberfläche reflektiert, ein Teil in die Flüssigkeit (Öl oder Seifenlösung) hinein gebrochen und an der Unterseite reflektiert. Die an der Unterseite reflektierten Strahlen gehen zur Oberfläche zurück, werden dort wieder zum Teil in die Flüssigkeit reflektiert, zum Teil treten sie aus der Flüssigkeit aus. Die direkt an der Oberfläche reflektierten Strahlen und die aus der Flüssigkeit re- flektierten interferieren ( 70.2 ). Je nach der relativen Phase der beiden Wellen verstärken oder schwächen sie einander. Entscheidend dafür ist der Gangunter- schied, 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 un- gerades Vielfaches von λ /2 , so löschen sie einander aus. Der Gangunterschied hängt von der Schichtdicke, von der Blickrichtung und auch von der jeweiligen Wellenlänge ab. Zu berücksichtigen ist, dass bei der Reflexion am optisch dichte- ren Medium (an der Grenzschicht Luft – Seifenlösung bzw. Ölfilm) ein Phasen- sprung von λ /2 eintritt (vgl. Physik 6, S. 86). Je nach der Dicke der betrachteten Seifenlamelle (oder des Ölfilms) werden sich wegen 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. Durch Verdunstung und Abwärts- fließen nimmt die Schichtdicke ab, und das ergibt das faszinierende Farbenspiel der Seifenblasen. Nur dünne Schichten zeigen bei Beleuchtung mit weißem Licht Farberscheinungen. Da diese Farben durch Interferenz zustande kommen, bezeichnet man sie als „ In- terferenzfarben “. Wie dünn darf eine Seifenhaut sein, um Licht der Wellenlänge λ konstruktiv ver- stärkt zu reflektieren? Bei senkrechtem Lichteinfall lässt sich dies leicht berech- nen – auch bei schrägem Lichteinfall ist die Rechnung keine Hexerei. Damit der aus dem Seifenfilm reflektierte Strahl 2mit dem reflektierten Strahl 1 konstruktiv interferiert, muss er dieselbe Phase haben: Er muss den Seifenfilm zweimal durch- quert haben und innerhalb der Distanz 2 d den Weg λ m /2 (oder 3 λ m /2, …) zurückge- legt haben. ( λ m : Wellenlänge im Medium mit Brechungsindex n ). Da außerdem λ m = λ / n gilt, ergibt sich als minimale Dicke für konstruktive Interferenz bei senk- rechtem Lichteinfall: d = λ m /4 = λ /4n. Bei d = λ m /2 tritt erstmals destruktive Interferenz auf. Eine wichtige Anwendung finden dünne Schichten bei der Vergütung von Linsen in optischen Geräten und bei der Entspiegelung von Brillengläsern. Man dampft auf die Oberflächen der Linsen eine sehr dünne Schicht eines durchsichtigen Stof- 70.1 Benzinfilm auf feuchtem Asphalt. Die Farberscheinungen entstehen durch Inter- ferenz. 70.2 Reflexion an einer Seifenhaut. Das auf die Seifenhaut fallende Licht wird an der Ober- und an der Unterseite der Seifenschicht reflek- tiert. Im Auge des Betrachters erzeugen die von der Seifenhaut kommenden Strahlen auf der Netzhaut ein Bild. 70.3 Die Farben von Seifenblasen. 70 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur zu Prüfzw cken – Eigentu des Verlags öbv