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1.
Einleitung
2.
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
Hauptteil
Grundlagen
Das Licht
Brechungsgesetz
Reflexionsgesetz
Messung von Lichtwellenlängen
Die Kohärenz des Lichtes
Interferenz des Lichtes
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Interferenz an dünnen Schichten
Interferenz an Schichten konstanter Dicke
Interferenz an Schichten unterschiedlicher Dicke
Newtonsche Ringe
2.2.4
2.2.4.1
2.2.4.2
2.2.4.3
2.2.4.4
Versuch
Aufbau
Durchführung
Beobachtung
Auswertung
3.
Schlussteil
3.1
Auftreten von Interferenzen
3.1.1 Messmethoden („Interferometer“)
4.
Materialen
5.
Literatur- und Quellverzeichnis
1. Einleitung
Der Begriff Optik kommt aus dem Griechischen und ist „das Gebiet der
Physik,
welches
beschäftigt“1.
In
sich
mit
diesem
dem
Licht
Bereich
geht
und
es
seiner Wahrnehmung
um
die
gegenseitige
Beeinflussung von Materie und optischer Strahlung. In der Facharbeit
betrachte ich besonders die optischen Erscheinungen an dünnen
Schichten und dazu muss ich mich zunächst mit den Strahlen- und
Welleneigenschaften des
Lichtes befassen um diese Erscheinungen
erläutern zu können. Wenn Licht auf dünne Schichten, wie z.B.
Seifenblasen, Ölschichten auf der Wasseroberfläche oder auch eine
dünne Glasplatte trifft, dann lassen sich auf der Oberfläche bunte
Farbschlieren
erkennen.
Diese
verändern
sich,
wenn
man
den
Einfallswinkel des Lichtes oder die Größe der Seifenblase ändert. Solche
Farberscheinungen entstehen durch Interferenzen von Lichtwellen. Im
Folgenden versuche ich diese Interferenzen zu erklären und darzustellen
wodurch sie hervorgerufen werden.
1
Microsoft Encarta 97 Enzyklopädie
2.1.1 Das Licht
Das was wir heut zu Tage unter Licht verstehen, ist der Teil der
elektromagnetischen Strahlung, der für das menschliche Auge sichtbar ist.
Ein Lichtstrahl setzt sich aus sehr schnellen Schwingungen eines
elektromagnetischen Feldes zusammen. Eine Quelle sendet diese
Strahlen in alle Richtungen aus und sie bewegen sich wellenförmig. Die
Teilchen, aus denen sich die Welle ergibt schwingen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung und so ergibt sich eine ähnliche Form wie bei einer
Sinuskurve. Die Intensität des Lichtes nimmt mit der Zunahme des
zurückgelegten Weges ab und das Licht wird „schwächer“. Verschiedene
Farben entstehen beim Licht durch unterschiedliche Wellenlängen, wobei
weißes Licht das gesamte Farbspektrum umfasst. Das für das
menschliche Auge sichtbare Spektrum vom Licht erstreckt sich in dem
Bereich zwischen 380 und 750 Nanometer (1 Nanometer (nm) entspricht
10-9 Meter, das sind 0,000 000 001 Meter, also ein tausendmillionstel
Meter). Es bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von v=299792458m/s
(im Vakuum). Die Lichtwellen können reflektiert, gebrochen oder auch
absorbiert werden, dazu werde ich mich im weiteren Verlauf der
Facharbeit noch äußern.
2.1.2 Brechungsgesetz
Wenn
ein
Lichtstrahl
von
einem Medium in das andere
übergeht, dann wird der im
Allgemeinen gebrochen. Je
flacher der Strahl auf die
Grenzfläche
auftritt,
umso
stärker wird er gebrochen.
Das Medium, an dem er den
kleineren Winkel mit dem Lot
auf der Grenzfläche bildet, heißt das optisch dichtere Mittel, das andere
das optisch dünnere Mittel. Als optisches Mittel bezeichnet man das
Vakuum und alle Stoffe, die das Licht durchdringen vermag.
Für einen Lichtstrahl, der aus einem optischen Mittel in ein anderes
übergeht, gilt:
Einfallender Strahl, gebrochener Strahl und Einfallslot liegen in einer
Ebene.
Der Quotient aus dem Sinus des Winkels α im optisch dünneren Mittel und
dem Sinus des Winkels β im dichteren Mittel ist konstant; er wird
Brechungszahl n genannt:
sin 
n
sin 
Die Brechungszahl ist abhängig von der Art des Lichtes und dem
optischen Mittel.
Reflexionsgesetz:
Bei der Spiegelung des Lichts liegt der einfallende und der reflektierte
Strahl mit dem Einfallslot in einer Ebene. Der Einfallswinkel ist gleich dem
Reflexionswinkel.
Totalreflexion:
2.1.6 Interferenz des Lichtes
Da Interferenzen bei allen möglichen Wellen auftreten, lassen sich diese
Erscheinungen also auch bei zwei oder mehreren Lichtwellen beobachten.
Wenn wir nun zwei Lichtwellen betrachten, die beide von der selben,
punktförmigen Lichtquelle ausgehen und eine bestimmte Wellenlänge
haben, lassen sich im Überlagerungsbereich der Wellen Interferenzen
beobachten, da sich die Intensität des Lichtes durch die Überlagerung
verändert.
Eine Lichtwelle lässt sich durch eine elliptische Schwingung in einem
festen Punkt beschreiben, hierbei wird ihre Form, Richtung und Phase
ständig verändert. Haben nun zwei Lichtwellen dieselbe Lichtquelle als
Ursprung,
so
besteht
eine
enge
Korrelation
zwischen
den
Schwingungsänderungen dieser beiden Lichtwellen. Da die Beziehung
von der Größe der Lichtquelle abhängig ist, betrachtet man meistens die
Punktförmige Lichtquelle, da hier die Korrelation eindeutig ist. Die Wellen
bezeichnet man in diesem Fall als „kohärent“, sie können also
untereinander interferieren.
Haben wir nun eine ausgedehnte Lichtquelle ist es keineswegs so, dass
hier
keine
ausgedehnten
Interferenzen
Lichtequelle
auftreten,
sondern
kann Interferenzen
jeder
Punkt
einer
verursachen. Diese
Interferenzen sind dadurch, dass sie sich untereinander wieder überlagern
stark begrenzt, sie sind allerdings entsprechend zu den Interferenzen von
einer punktförmigen Lichtquelle.