Newtonsche Schwarze Filme - Vorlesungssammlung Physik

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Dia
O - 145
Optik
Newton black films
Folie
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Newtonsche Schwarze Filme
ITÄT
ERS
UL
IV
Sonstiges
Karte nur zur Benutzung in den Räumen der Universität Ulm, Vorlesungssammlung Physik
Anz. Blätter: 2
Datum: 10.09.02
Bearbeiter: Keller K.-D.
Stichworte:
Newtonsche Schwarze Filme; Newton black films; common black films; Interferenz:
Newtonsche Schwarze Filme; Seifenlamelle: Newtonsche Schwarze Filme
Zweck:
Das von einer dünnen Seifenlamelle reflektierte Licht verschwindet.
Zubehör:
Konstruktion zur Schaumherstellung {38-05} mit Wanne {38-05}
ca. 800 ml Seifenlösung (Herstellung siehe Aufbau)
Stativmaterial (Reiter, Leybold-Muffen)
2 Optische Bänke {4-neben} mit Klemmen {4-2}
2 Holzblöcke mit Aussparung für optische Bank {3-2}
Netzgerät Philips PE 1512 {64-4} mit 2 Kabel {69A-neben}
Laser {71-2} mit Halterung {4-1}
Lochblende (z.B. Nr. 67) {91-2}
verstellbarer Spiegel {92-4}
Gasflasche (z.B. Stickstoff) {10} mit Druckminderer {19-1} und Tischhalterung
Schlauch zur Verbindung der Gasflasche mit der Wanne {5-6}
Mattscheibe {91-4}
Bild:
Aufbau:
Herstellung der Seifenlösung:
für 1 Liter Seifenlösung mischt man 40 ml Spülmittel mit 960 ml Leitungswasser
(Seifenlösung erst zum Schluss einfüllen)
Spiegel
Laser
Blenden
Seifenlamelle
Linse
Mattscheibe
Optische Bänke parallel auf dem Tisch anschrauben, Gasflasche mit Halterung
anbringen;
Laser, Lochblende, Spiegel und
Mattscheibe aufstellen;
Wanne auf zwei Holzblöcke stellen;
Netzgerät aufstellen und mit den zwei
Kabeln den Draht anschließen
(Abbildung rechts)
Das Plexiglasröhrchen auf das nach
oben gebogene Kupferrohr stecken;
Gasflasche mit dem Kupferrohr
verbinden;
ca. 800 ml Seifenlösung in die Wanne
einfüllen;
Durchführung:
an den Widerstandsdraht (6,9
Ω
) eine Spannung von 1 V anlegen;
m
Gas langsam strömen lassen, dass die Blasen langsam an dem Loch vorbeiziehen und
immer eine Seifenlamelle in dem Loch vorhanden ist;
Laser anschalten und den Lichtstrahl mit dem Spiegel so justieren, dass er auf die
Seifenlamelle trifft;
reflektiertes Licht der Seifenlamelle muss auf den Schirm treffen, wo ein ca. 4 cm
großer roter Fleck zu sehen ist;
dann sofort Gashahn zudrehen und beobachten, wie der Fleck verschwindet
Achtung: Geduld mitbringen!
Luft
Wasser
Tensid
Die Seifenlamelle besitzt folgenden Aufbau:
Tensid
Theorie:
Luft
Durch die Gravitation fließt das Wasser zwischen den beiden Tensidschichten nach
unten weg. Der Abstand der beiden Tensidschichten wird mit der Zeit immer geringer.
Luft
Tensid
Verkleinert sich die Filmdicke auf etwa 10 nm, spricht man von
einem sogenannten „Gewöhnlichen schwarzen Film“ (common
black film, Abk. CBF).
Noch dünnere Filme mit wenigen Nanometern Dicke nennt
man „Newtonsche schwarze Filme“ (Newton black films, Abk.
NBF).
Das Überraschende an diesen Filmen ist die Tatsache, dass von
ihnen kein Licht reflektiert wird, sie also schwarz erscheinen.
Wasser
Das Laserlicht wird an dem Film zweimal reflektiert, an der Ober- und an der
Unterseite.
Diese beiden Strahlen interferieren aufgrund der geringen Filmdicke miteinander.
Der Gangunterschied, den der unten reflektierte Strahl besitzt, kann praktisch
vernachlässigt werden, wenn das Licht eine Wellenlänge besitzt, die viel größer ist als
die Filmdicke.
Das ist bei dem verwendeten HeNe-Laser mit 623,8 nm Wellenlänge der Fall.
Der oben reflektierte Strahl erfährt jedoch einen Phasensprung um 180° aufgrund der
Reflexion am optisch dichteren Medium. Dadurch kommt es zu einer destruktiven
Interferenz und die beiden Strahlen löschen sich gegenseitig aus.
Phasensprung
180°
destruktive
Interferenz
Die sinusförmige Lichtwelle trifft auf den Film. Die Welle, die an der Oberseite
reflektiert wird, erfährt einen Phasensprung von 180° (entspricht im Bogenmaß π).
sin (x + π) = – sin (x)
Die an der Unterseite des Films reflektierte Welle erfährt einen Phasenunterschied,
d
den man mit φ = 2 · · n · 2 π abschätzen kann (Phasenunterschied für dünne
λ
Schichten).
Mit einer Schichtdicke d = 5 nm, λ = 632,8 nm und dem Brechungsindex n = 1,33 für
Wasser ergibt sich
1
·2π
φ ≈
47
Ausschnitt um x = π
- sin(x) und sin (x +
1
· 2 π)
47
Addiert man diese beiden Wellen, erhält man folgendes Bild:
- sin(x) + sin (x +
1
· 2 π)
47
1
gefallen ist. Die Intensität ist proportional
5
1
zum Amplitudenquadrat und fällt somit auf
ab.
25
Man erkennt, dass die Amplitude auf ca.
Literatur:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Staatsexamensarbeit „Die Physik des Schaums“ von Klaus-Dieter Keller (2002)