Interferenz an einer Seifenhaut (dünne Schicht): Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 6. Februar 2023, 20:49 Uhr

(Kursstufe > Die Welleneigenschaften des Lichts)

Beispiele

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  ^[1] Eine Seifenblase

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  Sogenannte "Anlauffarben in einem Topf

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  Diesel in einer Pfütze

Versuch: Spiegelbild in der Seifenhaut

Aufbau

Ein Wasserglas wird mit dem Rand in Seifenlösung getaucht und in die Nähe einer Lampe gehalten, sodass man das Spiegelbild der Lampe "in" der Seifenhaut sieht. Das Glas wird leicht schräg gehalten. Der Hintergrund sollte möglichst dunkel sein, z.B. mit Hilfe einer schwarzen Pappe.

Beobachtung

Man sieht die Spiegelung der Lampe, die von horizontalen bunten Streifen in regelmäßigen Abständen überlagert ist. Mit der Zeit werden die Streifen breiter und man sieht weniger Streifen. Bevor die Seifenhaut platzt, kann man am oberen Rand durch die Seifenhaut hindurchsehen; das Spiegelbild der Lampe ist dort nicht mehr zu sehen (Bild 2 und Bild 3).

In einfarbigem orangenen Licht sieht man auch nur orangene Streifen.

Kippt man das Glas während des Versuchs, so bewegt sich das gesamte Muster.

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  Bild 1

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  Video des Versuchs

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  Bild 2

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  Die roten, blauen und grünen Anteile der Steifen.

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  Bild 3

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  die roten Anteile

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  die grünen Anteile

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  die blauen Anteile

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  Geplatzt!

Erklärung

Die bunten Farben entstehen durch Interferenz von Lichtwellen an der Seifenhaut. Diese Interferenz bewirkt, dass innerhlab eines bestimmten Betrachtungswinkels ein Teil des Farbspektrums ausgelöscht wird.

Die Wand einer Seifenblase hat eine gewisse Dicke, deshalb wird das Licht zweimal reflektiert. Die unterschiedlichen Weglängen jeweils zweier Lichtstrahlen führt dann zu einem Gangunterschied. Beträgt dieser exakt die Hälfte einer Wellenlänge, so fallen Wellenberge und Wellentäler aufeinander, dies bewirkt die Auslöschung einer Farbe. Es handelt sich in diesem Beispiel um destruktive Interferenz.

Die Farbe bzw. die Wellenlänge des Lichts, welche ausgelöscht wird, ist abhängig von der jeweiligen Dicke der Seifenblasenhaut und dem Betrachtungswinkel. Die Abhängigkeit von der Dicke ist leicht zu beobachten, das die Seifenblase auf Grund von Verdunstung immer dünner wird, und sich damit die Farben an einer Stelle bei selbem Betrachtungswinkel ändern. Wenn die Seifenhaut nach einer Weile sehr dünn geworden ist, lassen sich keinerlei Farben mehr erkennen. Dies liegt daran, dass die Haut dünner ist als eine halbe Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. In diesem Fall sind an den gegebenen Stellen dunkle Flecken zu beobachten. Kurz darauf wird die Blase zerplatzen, da die Haut zu dünn wird.

Der Effekt, dass an den Stellen, an welchen die Blase sehr dünn ist, keine Komplementärfarben mehr gesehen werden können, liegt darin begründet, dass das Licht, welches sofort an der Seifenhaut reflektiert wird einen Phasensprung von [math]\pi[/math] erfährt. Das Licht, welches an der zweiten Haut der Blase reflektiert wird hat nun nur noch einen sehr geringen Weg zurückzulegen, in diesem Fall verändert sich die relative Lage zu außen reflektierten Welle nicht. Dadurch laufen die beiden Wellen exakt mit einer halben Wellenlänge Phasenverschiebeung. Somit wird jegliches Licht ausgelöscht.

Der Farbverlauf einer Seifenblase ist deshalb nicht überall gleich, da die Dicke der Haut, durch äußere Einflüsse wie zum Beispiel Gravitation und Wind verändert wird. Diese Einflüsse lassen das übliche wellenförmige Muster entstehen. Bewegt sich eine Seifenblase beispielsweise nur wenig, so sind die Farbmuster sehr regelmäßig und unterliegen nur geringen Schwankungen.

Dieselöl in der Pfütze

Ein Tropfen Dieselöl ist in eine Pfütze am Straßenrand gefallen.

Beobachtung

Man sieht in der Pfütze ein Muster von bunten Streifen, die kreisförmig um den unteren Rand der Pfütze laufen.

Der äußerste Streifen ist weiß und nicht farbig.

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  die roten Anteile

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  die grünen Anteile

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  die blauen Anteile

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  Vergleich von roten, grünen und blauen Anteilen

Erklärung

Das Dieselöl schwimmt auf dem Wasser, breitet sich aus und bildet einen dünnen Film. Wie bei der Seifenblase entstehen die bunten Farben entstehen durch Interferenz der am Ölfilm reflektierten Lichtwellen.

Am Rand des Ölflecks hat der Film eine geringe Dicke, die zur Mitte des Flecks zunimmt. Deshalb sieht man am Rand das erste Maximum des Interferenzmusters, dann zur Mitte hin das zweite usw. Das Interferenzmuster des langwelligen roten Lichtes ist am größten, das des kurzwelligen blauen Lichtes ist am kleinsten. Beim 1. Maximum überlagern sich am äußeren Rand noch alle Farben, deshalb ist es weiß. Aber schon der innere Rand des 1. Maximums ist rötlich, weil dort das blaue Licht fehlt. Denn das 1.Maximum des blauen Lichtes ist schmaler als das der anderen Farben. Wird der Ölfilm zur Mitte hin dicker mischen sich dann immer unterschiedliche Farben und man sieht einen bunten Regenbogen.

Und was noch?

• Brillengläser: Entspiegelung
• Schmetterlinge und Vogelfedern?

Links

• Wikipedia: Seifenblase
• LEIFI Physik: Reflektion an einer Seifenhaut
• Wikipedia: Anlauffarbe
• Simulationsprogramme zum Farbensehen bei der Reflektion an dünnen Schichten: (Von Solstice.de: Interferenzerscheinungen und Farbwahrnehmung)

"IntFunkt.exe": Interferenz an dünnen Schichten

"IntKkeil.exe": Interferenz an einer keilförmigen Schicht

• Das Loch in der Seifenblase - Ein überraschendes Phänomen aus der Interferenzoptik und seine Beschreibung im Zeigerformalismus (Thomas Weber; Physik in der Schule 37, 1999-1, S. 34-36)

Fußnoten

1. ↑ Ausschnitt eines Bildes von Jeff Kubina, CC by SA 2.0