Beugungs- und Interferenzerscheinungen treten nicht allzu selten auf, werden aber oft nicht beachtet.
Auf
matten Metalloberflächen zeigen sich im Sonnenlicht kleine bunte Pünktchen:
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| Die Oberfläche einer Münze aus grauer Legierung erscheint im Sonnenlicht gepünktelt, "granuliert". | Ohne direktes Sonnenlicht zeigt sich dieselbe Münze schlicht grau. |
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| Bei genauem Hinsehen bzw. hier im vergrößerten Ausschnitt erkennt man, daß die "Pünktchen" bunt sind. Dies wird bei stärkerer Vergrößerung noch deutlicher. | Derselbe Ausschnitt ohne direktes Sonnenlicht läßt nur die Unebenheiten der Oberfläche erkennen, keine Farberscheinungen. |
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Goethe hat derartige Phänomene in seiner Farbenlehre ziemlich vollständig aufgelistet und als "epoptische", "katoptrische" und "paroptrische Farben" beschrieben:
"373. Läßt man ein poliertes Silber durch Scheidewasser dergestalt anfressen, daß das darin befindliche Kupfer aufgelöst und die Oberfläche gewissermaßen rauh werde, und läßt alsdann das Sonnenbild sich auf der Platte spiegeln, so wird es von jedem unendlich kleinen erhöhten Punkte einzeln zurückglänzen und die Oberfläche der Platte in bunten Farben erscheinen. Ebenso, wenn man ein schwarzes ungeglättetes Papier in die Sonne hält und aufmerksam darauf blickt, sieht man es in seinen kleinsten Teilen bunt in den lebhaftesten Farben glänzen."
Zur Erklärung dieser Erscheinung müssen wir etwas weiter ausholen.
Lichtwellen, kohärentes und inkohärentes Licht
Interferenzerscheinungen sind der Beweis für die Wellennatur des Lichts. Das folgende, animierte Bildchen zeigt, wie sich die Wellen bei der Beugung an einem Doppelspalt überlagern. Die Spalte sind dabei als sehr eng, verglichen mit der Wellenlänge, vorausgesetzt.
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Beugung am Doppelspalt:
Von links läuft eine ebene Welle auf eine absorbierende Blende mit zwei
kleinen Öffnungen (Spalten) zu. Man sieht, wie sich in den rechts
auslaufenden Wellen konstruktive und destruktive Interferenz abwechseln. Wenn Sie den Mauszeiger über das Bild führen, beginnt die Animation.
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Von Huygens stammt die anschauliche Vorstellung, daß man sich jeden Punkt einer Wellenfläche als Ausgangspunkt von "Tochter"-wellen vorstellen kann, deren Überlagerung dann die weiter fortschreitende Welle ergibt. In dem obigen Bild sind die beiden Öffnungen in der Blende die Ausgangspunkte für die Sekundärwellen.
Betrachtet man Spalte oder Öffnungen, deren Breite größer als die Wellenlänge ist, so werden die Erscheinungen komplizierter. In Vorwärtsrichtung überlagern sich die von den einzelnen Teilabschnitten des Spaltes ausgehenden Wellen konstruktiv, aber unter einem bestimmten Winkel kommt es – auch bei einem einzelnen Spalt – zur Auslöschung, doch dann steigt die Helligkeit wieder etwas an ... Fängt man das Licht in größerem Abstand hinter dem Spalt auf einem Schirm auf, so ergibt sich etwa folgendes Bild:
 | Beugung am
Spalt. Oben: monochromatisches Licht, unten: weißes Licht. Da die Lage der hellen und dunklen Streifen von der Wellenlänge abhängt, ist das Beugungsbild mit weißem Licht weniger deutlich als mit monochromatischem Licht, und Farben werden sichtbar.
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Stellen Sie sich vor, in der obigen Simulation der Beugung am Doppelspalt ließe man von links nicht eine einheitliche Welle mit geraden Fronten, sondern ein Gemisch von Wellen aus etwas verschiedenen Richtungen, ohne definierte Phasenbeziehungen untereinander und mit etwas verschiedenen Wellenlängen einfallen. Die linke Seite würde dann wie eine Wasseroberfläche bei Wind aussehen. Auf der rechten Seite würden sich die von den beiden Öffnungen kommenden Wellen zwar immer noch überlagern, aber die gegenseitige Verstärkungen oder Auslöschungen würden völlig regellos und im zeitlichen Wechsel immer wieder woanders stattfinden. Im Fall eines Experimentes mit Licht ergäbe sich auf dem Schirm kein Streifenbild, sondern ein diffuser Lichtfleck.
Man nennt so ein Wellengemisch wie oben beschrieben inkohärent. Die Inkohärenz des Lichtes von den meisten Lichtquellen ist der Hauptgrund dafür, daß Beugungserscheinungen meist nicht sehr deutlich sind. Die geringe Winkelausdehnung der Sonne reicht aus, um viele zum Verschwinden zu bringen. (Erst in neuerer Zeit hat man im Laser eine bequem zu handhabende, helle Lichtquelle mit guten Kohärenzeigenschaften zur Verfügung.)
Trotzdem kann man
Beugungsphänomene auch in der freien Natur beobachten.
Farben, ähnlich wie sie bei der Beugung
am Spalt (Bild oben) und an Lochblenden (Bilder weiter unten) auftreten, findet man bei den irisierenden Wolken:
Wolken, aufgenommen nahe Hannover am 2. August 2005, 18:35 Uhr MESZ.
In geringem Winkelabstand von der Sonne schimmern die zarten Wolken blendend hell in "Perlmuttfarben".
Die dunkle Fläche darüber ist blauer Himmel. (Noch mehr Bilder von irisierenden Wolken finden Sie
hier.)
Zum Vergleich wurde hier das Beugungsbild einer kreisförmigen Blende (siehe nächstes Bild) einem hellgrauen Hintergrund überlagert. Die Helligkeit wurde so groß gewählt, daß die Mitte (bis ungefähr 13 Einheiten auf der darunterliegenden Skala) überstrahlt ist, also eigentlich viel heller sein müßte. Die Skala unter dem Bild gibt den Blendenradius (in Mikrometern) mal den Ablenkwinkel (in Grad) an.
Ein einfaches Experiment:
In ein Stück Aluminium-Haushaltsfolie wird mit der Spitze einer Nähnadel ein feines Loch gestochen. Durch dieses Loch betrachte man eine "punktförmige" Lichtquelle, z.B. das Spiegelbild der Sonne in einer silbernen Christbaumkugel. (Nicht erschrecken: man sieht außer dem unten wiedergegebenen Beugungsbild auch noch die Schlieren in Glaskörper und Linse des Auges. Eventuell muß man die Öffnung vor dem Auge etwas bewegen, um das Beugungsbild wahrnehmen zu können.)
Man kann statt des Auges auch einen Fotoapparat verwenden:
Beugungsbild einer Lochblende (Nadelstich in einer Aluminium-Haushaltsfolie) mit ca. 0.04 mm Durchmesser, aufgenommen mit einer Digitalkamera. Lichtquelle war die Niedervolt-Glühbirne einer Mikroskopierleuchte.
Links: Die Belichtung wurde so gewählt, daß die hellste Stelle noch nicht überbelichtet ist.
Rechts: Dasselbe mit längerer Belichtung. Die Unregelmäßigkeiten der Beugungsringe zeigen, daß mit dem Nadelstich keine exakt kreisförmige Öffnung erzeugt wurde.
Die Rechnung: Links: Abfolge der Farben bei der Beugung von Licht an einer Kreisblende.
Die Skala unter dem Spektrum zeigt das Produkt aus Blendenradius (in
Mikrometern) mal Ablenkwinkel (in Grad) an.
Rechts: Dasselbe mit vergrößerter Helligkeit. Der dann überstrahlte (auf dem Bildschirm nicht darstellbare) Teil wurde grau ausgeblendet.
Natürlich schweben am Himmel keine Lochblenden. Doch es gibt ein (nur auf den ersten Blick seltsam anmutendes) Theorem, das besagt, daß die Beugungsbilder von undurchsichtigen Scheiben (außerhalb des direkten Strahls) mit denen von Löchern der gleichen Form und Abmessung in einer undurchsichtigen Blende übereinstimmen (Theorem von Babinet). Die Wassertröpfchen in einer Wolke sind zwar nicht undurchsichtig, aber für grobe Abschätzungen kann man in manchen Fällen das durchgelassene Licht außer acht lassen. Sind die Tröpfchen so klein, daß das Beugungsminimum in einem Winkelabstand auftritt, der deutlich größer ist als der Winkel, unter dem man die Sonne sieht (etwas mehr als 0.5º), dann wirkt sich die endliche Größe der Sonnenscheibe nur noch wenig aus. Farben sind allerdings nur zu sehen, wenn die Tröpfchen in größeren Bereichen einheitliche Größe haben. Wenn die Tröpfchen alle gleich groß sind, sieht man die Farben in konzentrischen Kreisen und spricht dann von einer Aureole, insbesondere, wenn die Erscheinung durch dünne, kaum sichtbare Wolken hervorgerufen wird.
Hof und mäßig bunter Ring um die Sonne, 26. August 2005, ca. 11:30 Uhr in der Nähe von Hannover. Für die Aufnahmen wurde ein schwarzer Spiegel (eine auf der Rückseite schwarz lackierte Glasscheibe) benutzt.
Bei fast allen der vielen Fotos von Aureolen und irisierenden Wolken, die im Internet zu finden sind, ist der sonnennächste Teil entweder abgedeckt oder überbelichtet. Die Helligkeit ist dort einfach zu groß. Daher sieht man selten, daß der zentrale Teil der Aureole bläulich ist.
Wenn bei trübem Wetter die Wolkendecke gelegentlich aufreißt, dann kann man manchmal die Sonnenscheibe durch einen dünneren Teil der Wolken erkennen, ohne geblendet zu werden. So ein Augenblick ist im nächsten Foto festgehalten:
Aufnahme vom 8. August 2005, 14:06 Uhr (MESZ), rechts Ausschnittsvergrößerung. Deutlich ist die bläuliche Aureole um die Sonne zu sehen, in etwas größerem Abstand ist ein zartrosa Hauch mehr zu ahnen als zu sehen.
Noch mehr Bilder davon
 | Es ist also nicht unbedingt eine Öffnung in einer Blende erforderlich, um sichtbare Beugungserscheinungen hervorzurufen. Als Beispiel links eine
Aureole um die Sonne, hervorgerufen durch die gekräuselten Fasern eines synthetischen Gardinenstoffes. Die einzelnen Fasern sind ca. 0.02 mm dick. |
Staubige oder angelaufene (oder angehauchte) Fensterscheiben, Kratzer im Glas u.s.w. können Ursache von auf Beugung beruhenden Farben sein. Insbesondere sind reflektierende Flächen zu nennen: ein kleiner, ebener spiegelnder Bereich auf einer sonst matten oder dunklen Oberfläche erzeugt im reflektierten Licht Beugungsmuster wie eine Blendenöffnung im durchgelassenen Licht.
Granulation
Es wurde schon erwähnt, daß Laser-Licht viel bessere Kohärenzeigenschaften aufweist als das Sonnenlicht. Beleuchtet man eine matte Fläche, z.B. ein Blatt Papier, mit einem Laser, so erscheint das Blatt nicht gleichmäßig beleuchtet, sondern fleckig, "granuliert". Es ist der gleiche Effekt wie der eingangs beschriebene. Aber während dies beim Sonnenlicht eher selten auffällt, ist die Granulation bei Beleuchtung mit Laserlicht unübersehbar und wird bisweilen als störend empfunden. Da das Laserlicht monochromatisch ist, treten natürlich keine zusätzlichen Farben auf.
Links: Ein Blatt weißes Papier, auf dem ein Zeichendreieck aus Acrylglas liegt, beleuchtet mit dem Licht eines Laserpointers, das durch eine davor angebrachte Lupe etwas aufgefächert wurde. Breite des Bildausschnittes 11 mm.
Rechts: Dieselbe graue Münze wie oben, hier im Laserlicht. Der Durchmesser der Münze beträgt 21,2 mm. Die Fotos können das Funkeln der Pünktchen leider nicht wiedergeben.
Das Fleckenmuster ist zeitlich konstant, verändert sich aber, wenn sich der Beobachter (oder die Lichtquelle oder der Gegenstand) bewegt. Bemerkenswert ist, daß die Pünktchen immer gleich scharf gesehen werden, egal auf welche Entfernung das Auge eingestellt ist. Durch eine Lupe betrachtet, werden sie nicht größer, sondern mehr.
Die Erklärung des Effekts ist etwas einfacher, wenn man voraussetzt, daß das Auge bzw. die Kamera nicht auf die betrachtete Fläche fokussiert ist, daher untersuchen wir zunächst diesen Fall. Licht, das von einem Punkt kommt, wird unter diesen Bedingungen auf Netzhaut oder Film/Sensor ein kleines Kreisscheibchen beleuchten; entsprechend kommen alle Lichtstrahlen, die sich in einem Punkt auf der Netzhaut treffen, von eimen kleinen, annähernd kreisförmigen Bereich der betrachteten Fläche. Wenn diese Fläche mit kohärentem Laserlicht beleuchtet ist, dann bestehen zwischen den Wellenzügen, die von verschiedenen Punkten kommen, feste, zeitlich konstante Phasenbeziehungen, und wenn sich die Wellen in der Bildebene überlagern, dann können sie sich verstärken, abschwächen oder auch auslöschen, und was genau passiert, hängt von den feinen Details der Oberflächenrauhigkeit ab. Der Bereich, von dem Licht auf einen Punkt in der Bildebene trifft, ist um so größer, je weiter die Blende offen ist. Kleinere Blendenöffnung führt auf gröbere Granulation des Bildes, wie in den folgenden Aufnahmen zu sehen ist:
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Granulation, links mit Blendenöffnung f:3.5, rechts mit Blende f:8 aufgenommen. |
Man könnte nun meinen, die Granulation müßte verschwinden, wenn genau auf das betrachtete Objekt fokussiert wird, weil dann jeder Punkt wieder auf einen Punkt abgebildet würde. Aber dies ist nur eine Idealisierung der Strahlenoptik: wegen der Wellennatur des Lichtes ergibt sich in der Schärfeebene als Abbild eines Punktes kein Punkt, sondern ein kleiner Lichtfleck infolge der Begrenzung der Strahlen durch die Blendenöffnung. Die Lichtflecken von benachbarten Bildpunkten überlagern sich, und so kommt es wieder zu abwechselnder Verstärkung, Abschwächung oder Auslöschung, zu Granulation statt gleichmäßiger Helligkeit.
Die Buntheit der Pünktchen auf matten Metallflächen etc. im Sonnenlicht rührt nun daher, daß das Fleckenmuster von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Die Wellenlängen, die wir rot wahrnehmen, erzeugen ein anderes Muster als die grün gesehenen und die blauen wieder ein anderes. So ist die Überlagerung von allen dann bunt.
Man kann sich das an einem vereinfachten Beispiel noch genauer überlegen.
Betrachten wir ein kleines Element, eine ebene Mikro-Facette in der matten Oberfläche, die Licht zum Auge lenkt. Das von der Facette reflektierte Licht fächert sich auf, je kleiner die Facette ist desto mehr, und wenn die Facette klein genug ist, dann gelangt nur ein Teil des reflektierten (und gebeugten) Lichts durch die Pupille in das Auge und wird dort auf die Netzhaut fokussiert. Die Farbenfolge von der Mitte (des "Strahls") nach außen ist der oben für den Fall einer Kreisblende gezeigten sehr ähnlich.
Unten werden die auftretenden Farben jeweils in der größten auf dem Bildschirm möglichen Helligkeit noch einmal gezeigt. Je nach Blickwinkel kann die Facette alle diese Farben zeigen.
Damit das Pünktchenmuster entsteht, ist es allerdings nicht nötig, daß ebene Facetten vorhanden sind. Nur ist bei einer beliebigen rauhen Oberfläche eine detaillierte Beschreibung der auftretenden Beugungseffekte weder sinnvoll noch durchführbar.
Noch mehr Beugungs- und Interferenzphänomene finden Sie
in den folgenden Abschnitten über
Seifenblasen etc., über
Schillerfarben und über optische Erscheinungen an Spinnennetzen behandelt.
Zurück zur Übersicht: Wie kommt Farbe zustande?
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