Interferenz an dünnen Schichten 05:23 min
Transkript Interferenz an dünnen Schichten
Hallo und herzlich Willkommen. Seifenblasen sind schon eine interessante Sache. Betrachtet man sie im Sonnenlicht, so sieht man viele Farben, obwohl keine Lichtquelle mit diesen Farben sie anstrahlt. Warum das so ist, wirst du am Ende dieses Videos verstanden haben. Es dreht sich hier alles um die Interferenz an dünnen Schichten. Zuerst wiederholen wir, was wir unter Interferenz versteht. Danach wirst du lernen, wie sich Licht verhält, wenn es auf eine sogenannte Glimmerscheibe trifft. Anschließend zeige ich dir noch, wie durch Interferenz die Farbmuster in Seifenblasen entstehen. Und damit kann es auch schon losgehen. Zuerst beschäftigen wir uns allgemein mit Interferenz. Voraussetzung, dass sie eintritt, ist Kohärenz. Kohärenz bedeutet, dass die Phase einer Lichtquelle einer festen, voraussehbaren Beziehung gehorcht. Ist das nicht der Fall, so spricht man von Inkohärenz. Die Distanz, über die eine Welle kohärent ist, nennt man Kohärenzlänge. In diesem Bild hat die obere Welle eine größere Kohärenzlänge, da ihre Phase über eine längere Distanz vorhersagbar ist. Um Interferenz zu verdeutlichen, stellen wir das Licht als Sinuskurve mit Maxima und Minima dar. Den Abstand zweier Maxima oder Minima bezeichnet man als Wellenlänge Lambda. Betrachtet man eine zweite Welle, so gibt der Gangunterschied Delta S an, wie weit die Wellen zueinander phasenverschoben sind. Für Delta S = 0 addieren sich die Amplituden der Wellen. Man spricht von konstruktiver Interferenz. Sie tritt immer dann auf, wenn gilt Gangunterschied Delta S = K Lambda, wobei K eine ganze Zahl ist. Für destruktive Interferenz lautet die Bedingung: Delta S = (K + ½) Lambda, wobei K wieder eine ganze Zahl ist. So viel zur Theorie. Jetzt zeige ich dir, wo man diese Interferenz auch sieht. Das tut man zum Beispiel bei sogenannten Glimmerscheiben. Das sind ganz dünne Scheiben aus Schichten aufgebauten Minerals mit Brechungsindex n, circa 0,005 Millimeter dick. Wichtig ist, dass die Dicke deutlich unter der Kohärenzlänge des Lichtes liegt, damit Interferenz überhaupt auftreten kann. Trifft Licht auf die Vorderseite, so wird ein Teil des Lichtes reflektiert, hier Strahl 1. Ein anderer Teil wird durchgelassen, Strahl 2. Man spricht von partieller Reflexion. Diese tritt auch wieder auf der Rückseite des Glimmers auf. Zusätzlich dazu kommt es auf der Vorderseite des Glimmers zu einem Phasensprung von Lambda/2. Dieser Phasensprung tritt immer dann auf, wenn Licht bei Bewegung durch ein bestimmtes Medium auf ein optisch dichteres Medium trifft. Der Gangunterschied zweier Lichtstrahlen gibt an, welchen Unterschied die Phasen zueinander haben. Bevor sie auf den Glimmer treffen, ist der Gangunterschied = 0. Treffen sie auf den Glimmer, so teilen sie sich auf. Wegen des Phasensprungs hat Strahl 1 genau am Auftreffpunkt einen Gangunterschied von Lambda/2 zu Strahl 2. Strahl 1 wird nun direkt reflektiert und legt als außerhalb des Glimmers den gleichen Weg zurück wie Strahl 2 im Glimmer, Delta S. Der komplette Gangunterschied beträgt also Lambda/2 + Delta S. Genügt Lambda/2 + Delta S nun der Bedingung für destruktive Interferenz (K + ½) Lambda, so löschen sich die beiden Strahlen aus. Ist das Licht monochromatisch, das heißt einfarbig, so sieht man, je nach Beobachtungswinkel, helle und dunkle Streifen. Bei Seifenblasen tritt vom Prinzip her genau der gleiche Effekt auf. Bei Seifenblasen beobachtet man aber keine Streifen, sondern unterschiedliche Farben. Diese Farbenprächtigkeit hat ihren Grund zum einen darin, dass Sonnenlicht nicht monochromatisch, sondern aus vielen Wellenlängen zusammengesetztes Licht ist. Unterschiedliche Farben haben unterschiedliche Wellenlängen und somit auch unterschiedliche Interferenzbedingungen. So kommt es, dass je nach Betrachtungswinkel unterschiedliche Farbanteile des Lichts ausgelöscht werden und man nur noch das verbliebene Spektrum sieht. Zum anderen sinkt das in der Seifenblasenhaut enthaltene Wasser nach unten ab. So kommt es, dass im unteren Teil dicker ist als oben. Dadurch ändern sich auch die Wellenlängen, bei denen destruktive Interferenz auftritt, je nachdem, wo das Licht die Seifenblase trifft. Im Endeffekt siehst du so ein sich ständig änderndes Farbenspiel auf der Seifenblase. So, was hast du eben gelernt: Partielle Reflexion bedeutet, dass nur ein Teil des Lichts reflektiert wird. Trifft Licht auf dünne Schichten, tritt partielle Reflexion auf. Nur ein Teil des Lichts wird reflektiert. Aufgrund des Gangunterschiedes kommt es zwischen den Strahlen zu Interferenz. Wird monochromatisches Licht eingestrahlt, ist ein Hell-Dunkle-Muster zu erkennen. Bei Seifenblasen tritt der gleiche Effekt auf. Hier werden Teile des Spektrums des weißen Lichts ausgelöscht, sodass man nur die verbliebenen Farben sieht. Das war es zur Interferenz an dünnen Schichten. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!
Videobeschreibung
In diesem Video beschäftigen wir uns am Beispiel von Seifenblasen mit dem Thema 'Interferenz an dünnen Schichten'. Dabei wiederholen wir zuerst, was man unter Interferenz versteht. Danach wirst du lernen, wie sich Licht verhält, wenn es auf eine sogenannte Glimmerscheibe trifft.. Anschließend zeige ich dir noch, wie durch Interferenz die Farbmuster in Seifenblasen entstehen.
Der Tutor:
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an dünnen Schichten Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Interferenz an dünnen Schichten kannst du es wiederholen und üben.
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Gib an, was Kohärenz ist.
Tipps
Die Distanz, über die eine Welle kohärent ist, wird als Kohärenzlänge bezeichnet.
Nur die Ausbreitung einer Welle, die sich nach einem Muster bewegt, ist vorhersagbar.
Lösung
Damit Interferenz auftreten kann, muss eine Lichtwelle verschiedene Interferenzbedingungen erfüllen.
Eine dieser Bedingungen ist die Kohärenz.
Diese bestimmt, dass eine Phase einer Lichtwelle einer festen, vorhersagbaren Beziehung gehorchen muss. Nur dann ist eine Lichtwelle kohärent.
Dabei kann eine Welle auch nur über bestimmte Distanzen kohärent sein. Man spricht dann von der Kohärenzlänge des Lichtes.
Diese ist dann bedeutsam, wenn eine Welle in einigen Bereichen kohärent ist, in anderen allerdings von ihrem vorhersagbaren Muster abweicht.
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Gib an, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit konstruktive Interferenz auftreten kann
Tipps
Beträgt der Gangunterschied $0$, tritt konstruktive Interferenz auf.
Bei konstruktiver Interferenz addieren sich die Amplituden einer Schwingung.
Lösung
Damit Interferenz auftreten kann, müssen im Wesentlichen zwei Bedingungen erfüllt werden.
Zunächst einmal muss die betrachtete Phase des Lichtes kohärent sein. Das heißt, die Phase einer Lichtwelle gehorcht einer festen, vorhersagbaren Beziehung.
Die zweite Bedingung betrifft den Gangunterschied zweier kohärenter Phasen. Sind diese um ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge $\lambda$ verschoben, so tritt konstruktive Interferenz auf.
Es muss $ \Delta s = k \cdot \lambda$, wobei $k$ eine ganze Zahl sein muss.
Wir können dann beobachten, dass sich die Amplituden der Welle addieren, und so die Helligkeit des Lichtes an einigen Stellen sehr hell erscheint.
Beträgt der Gangunterschied hingegen $ \Delta s =( k + \frac{1}{s} )\cdot \lambda$, so löschen sich die Wellentäler und Berge aus, und die Phasen kohärenter Lichtstrahlen werden so neutralisiert.
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Zeige die Kohärenzlängen.
Tipps
Gehorcht die Phase einer Lichtwelle einer vorhersagbaren Beziehung, ist diese kohärent.
Eine Welle kann auch nur über bestimmte Bereiche hinweg kohärent sein.
Lösung
Unter dem Begriff der Kohärenz versteht man, dass die Phase einer Lichtwelle einer bestimmten, vorhersagbaren Beziehung gehorcht.
Dabei kann die Phase der Welle über verschiedene Distanzen kohärent sein.
Diese Längen bezeichnet man als Kohärenzlängen.
Das Licht ist dabei so lange kohärent, bis sich eine Unregelmäßigkeit in ihrem Ausbreitungsmuster zeigt.
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Analysiere, warum eine Seifenblase ständig ihre Farbe zu ändern scheint.
Tipps
Die Vorgänge, die wir an einer Seifenblase beobachten können, sind gut mit der Glimmerscheibe zu erklären.
Das natürliche Licht besteht aus vielen verschiedenen Phasen.
Es müssen die Interferenzbedingungen erfüllt sein.
Lösung
Die Seifenblase ist ein gutes Beispiel für eine Glimmerscheibe.
An einer Seifenblase können wir beobachten, dass diese im Licht ein buntes Farbenspiel erzeugt.
Doch woran liegt das eigentlich?
Betrachten wir zunächst einmal die Lichtquelle. Diese ist hier ist das natürliche Licht, welches aus einem breiten Farbspektrum besteht.
Dabei hat jede Farbe eine bestimmte Wellenlänge. Sehen wir das gesamte Spektrum des Lichtes, erscheint uns dieses als weiß.
Die Seifenblase erscheint jedoch bunt. Das können wir mit der Interferenz an dünnen Schichten erklären.
Das natürliche Licht wird nun einmal an der Vorderseite und ein zweites mal an der Rückseite reflektiert.
Dabei stellt sich ein Gangunterschied ein. Dieser kann nun die Interferenzbedingung für einen Teil des Spektrums, also eine bestimmte Phase des Lichtes, erfüllen.
So wird ein Teil des Spektrums ausgelöscht, und das Licht erscheint nicht weiter als weiß, sondern als bunt.
Welche Komponente dabei ausgelöscht wird, hängt von der Dicke der Seifenblase und dem Betrachtungswinkel ab, sodass sich die Farben der Seifenblase stetig ändern.
So können wir das bunte Farbenspiel der Seifenblase physikalisch erklären.
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Benenne die Vorgänge an der Glimmerscheibe.
Tipps
Ein Teil des Lichtstrahles wird direkt reflektiert.
Ein anderer Teil des Lichtstrahles wird erst an der Rückseite der Glimmerscheibe reflektiert.
Eine Seifenblase ist ein Beispiel für eine Glimmerscheibe.
Betrachte die Skizze im Bezug auf die Interferenzbedingungen.
Das Licht wird an der Glimmerscheibe an zwei Orten reflektiert.
Lösung
Um den Vorgang an der Glimmerscheibe besser zu verstehen, schauen wir uns einmal genauer an, wie sich ein auftreffender Lichtstrahl verhält.
Zunächst trifft ein kohärenter Strahl, etwa ein Laser, auf die Vorderseite der Glimmerscheibe, wobei ein Teil direkt reflektiert wird. Der Punkt, an dem dieser Vorgang stattfindet, wird dabei als Phasensprung bezeichnet.
Ein anderer Teil des Lasers wird an der Scheibe gebrochen und erst an der Rückseite reflektiert. Dieser Lichtstrahl $2$ legt nun eine andere Distanz als der direkt reflektierte $1$ zurück.
So tritt ein Gangunterschied $\Delta s$ zwischen den Teilstrahlen des Lasers auf.
Je nachdem, welcher Gangunterschied in Abhängigkeit von der Dicke der Glimmerscheibe auftritt, können die Phasen des kohärenten Lichtstrahles so verschoben sein, dass die Bedingungen für destruktive oder konstruktive Interferenz erfüllt sind.
Diesen Prozess kann man gut an einer Seifenblase beobachten. Hier werden verschiedene Spektren, also Phasen des natürlichen Lichtes, durch Interferenz teilweise verstärkt oder ausgelöscht, sodass uns das Licht nicht weiter als farblos erscheint.
So kannst du das Farbenspiel auf einer Seifenblase, die ein gutes Beispiel für eine Glimmerscheibe ist, ganz einfach erklären.
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Untersuche, welche Art der Interferenz auftritt.
Tipps
$ k = \frac{\Delta s }{\lambda}$
Ergibt $k$ eine ganze Zahl, tritt konstruktive Interferenz auf.
Lösung
Um zu überprüfen, welcher Art der Interferenz auftritt, müssen wir untersuchen, welcher Gangunterschied zwischen den kohärenten Quellen besteht.
Ist dieser ein ganzes Vielfaches von $\lambda$, also etwa $\Delta s = 2 \cdot \lambda $, so tritt konstruktive Interferenz auf.
Gilt für den Gangunterschied jedoch etwa $\Delta s = 2,5 \cdot \lambda $, ist also der Gangunterschied ein Vielfaches $+ 0,5$ der Wellenlänge, so tritt destruktive Interferenz auf.
Es können natürlich auch Fälle auftreten, in denen nicht genau bestimmt ist, ob konstruktive oder destruktive Interferenz auftritt. Diese bezeichnen wir hier als weder noch, da weder ausschließlich konstruktive noch ausschließlich destruktive Interferenz auftreten.
Betrachten wir ein Beispiel :
Die kohärente Lichtquelle mit $\lambda = 500 nm$ Wellenlänge soll um $\Delta s = 2000 nm$ verschoben sein.
Daraus ergibt sich $ k = \frac{\Delta s = 2000 nm}{\lambda = 500 nm} = 4$. $k$ ist also ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge $\lambda$. Damit ist die Bedingung für konstruktive Interferenz erfüllt.
1 Kommentar
gute Erklärung