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 (78.1). Wenn du die Seifenlamelle oder den Ölfilm aus unterschiedlichen Winkeln betrachtest, 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 reflektierten interferieren (78.2). Je nach der relativen Phase der beiden Wellen verstärken oder schwächen sie einander. 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 ungerades 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 dichteren Medium (an der Grenzschicht Luft – Seifenlösung bzw. Ölfilm) ein Phasensprung 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 Abwärtsfließen 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 „Interferenzfarben“. Wie dünn darf eine Seifenhaut sein, um Licht der Wellenlänge λ konstruktiv verstärkt zu reflektieren? Bei senkrechtem Lichteinfall lässt sich dies leicht berechnen – auch bei schrägem Lichteinfall ist die Rechnung keine Hexerei. Damit der aus dem Seifenfilm reflektierte Strahl 2 mit dem reflektierten Strahl 1 konstruktiv interferiert, muss er dieselbe Phase haben: Er muss den Seifenfilm zweimal durchquert haben und innerhalb der Distanz 2d den Weg λ m _ 2 (oder 3λ m _ 2 , …) zurückgelegt haben. ( λm: Wellenlänge im Medium mit Brechungsindex n). Da außerdem λm = λ/n gilt, ergibt sich als minimale Dicke für konstruktive Interferenz bei senkrechtem 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 Stoffes auf, dessen Brechungsquotient kleiner ist als der Brechungsquotient von Glas. Das Licht wird an der Vorder- und an der Rückseite dieser Schicht reflektiert, wobei es bei jeder Reflexion einen Phasensprung von einer halben Wellenlänge 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 vollständig, wenn die Strahlen an der Vorder- und an der Rückseite der Schicht mit der gleichen Intensität reflektiert würden. Das ist nicht der Fall. Dennoch kann man auf diese Weise die Intensität des reflektierten Lichts stark vermindern. Durch die Vergütung wird das durchgelassene Licht intensiver. 78.1 Benzinfilm auf feuchtem Asphalt. Die Farberscheinungen entstehen durch Interferenz. 78.2 Reflexion an einer Seifenhaut. Das auf die Seifenhaut fallende Licht wird an der Ober- und an der Unterseite der Seifenschicht reflektiert. Im Auge des Betrachters erzeugen die von der Seifenhaut kommenden Strahlen auf der Netzhaut ein Bild. 78.3 Die Farben von Seifenblasen. 78 Praxis und Vertiefung Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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