Newton'sche Ringe

Newtonsche Ringe (nach Isaac Newton benannt) sind Hell/Dunkel-Zonen oder Interferenzfarben in der Gestalt mehrerer Ringe die durch Interferenz an transparenten dünnen Schichten entstehen.

Entstehung von Ringen

Versuchsaufbau

Newtonsche Ringe an zwei aufeinandergepressten Glasplatten

Exakt konzentrische Ringe entstehen bei der nachfolgend beschriebenen Anordnung. Eine Plankonvexlinse mit großem Krümmungsradius R liegt mit der gekrümmten Fläche auf einer ebenen Glasplatte, zwischen deren beiden Grenzflächen besteht ein Luftkeil mit veränderlicher Dicke d. Beleuchtet man die Anordnung senkrecht von oben mit monochromatischem Licht treten sowohl in Reflexion als auch in Durchsicht konzentrische helle und dunkle Ringe rund um den Berührungspunkt von Linse und Glasplatte auf. Bei Benutzung von weißem Licht entstehen farbige Ringe, deren Intensität mit dem Radius abnimmt.

Seifenblasen und Ölschichten auf Wasser zeigen im spektral fast weißen Tageslicht, besonders bei heller Sonneneinstrahlung ebenfalls farbige Ringe, die auf dem gleichen Prinzip beruhen.

Erklärung

Die Ringe entstehen durch Interferenz an der oberen und unteren Grenzfläche des Luftkeils. Bei Seifenblasen oder Ölschichten auf Wasser im Tageslicht (besser noch bei Sonneneinstrahlung) entstehen farbige Ringe. Die Farbigkeit entsteht, da sich Strahlung mit einer Wellenlänge nahe der Schichtdicke „interferierend“ verstärkt oder auch auslöscht. Die Schichtdicke muss größer als eine halbe Wellenlänge des Lichtes (380 nm bis 780 nm) betragen. Je schmalbandiger die Lichtquelle ist, desto mehr Ringe sind zu sehen.

Wird monochromatisches Licht von oben auf die Versuchsanordnung gestrahlt, erscheinen durch konstruktive und destruktive Interferenz abwechselnd helle und dunkle konzentrische Kreise, deren Zentren im Berührungspunkt der Linse mit der Glasplatte liegen. Die dunklen Ringe entstehen durch destruktive und die hellen Ringe durch konstruktive Interferenz. Es interferieren die Lichtwellen, die an der Grenzfläche beim Übergang von der Linse in die Luft reflektiert werden, mit denjenigen, die an der Grenzfläche beim Übergang von der Luft in die Glasplatte reflektiert werden. Ist deren Phasenlage zueinander 180°, löschen sie sich gegenseitig aus, es entstehen dunkle Ringe. Bei gegenseitiger Verstärkung (Phasenlage 0°) entstehen dagegen helle Ringe. Mit zunehmendem Abstand vom Auflagepunkt (der Abstand zwischen Linsenoberfläche und Glasplatte nimmt zu) wiederholt sich diese Bedingung mehrfach. So entstehen mehrere Ringe, die mit zunehmendem Radius immer enger beieinander liegen, da der Gradient der Abstandsänderung aufgrund der Kugelform der Linse zunimmt.

Wird weißes Licht eingestrahlt, entstehen farbige Ringe. : unterschiedliche Wellenlängen werden bei verschiedenen Radien besonders stark reflektiert beziehungsweise reflexionsfrei hindurchgelassen; so werden sie verstärkt bzw. es verbleiben jeweils die Komplementärfarben. Mit zunehmendem Abstand überlagern sich jedoch mehrere Farben, weshalb die Farbbrillianz der Ringe schnell abnimmt.

Herleitung der Gleichung

Hilfskonstruktion zur Erklärung der Interferenz

Der Weg s, den alle Lichtstrahlen durch die Luft zurücklegen, beträgt

s = 2d.

Berücksichtigt man die Phasenverschiebung um 180° bei der Reflexion am optisch dichteren Medium, so gilt:

$s=2d + \frac { \lambda}{2}$.

Voraussetzung für die Auslöschung ist, dass der Weg ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist. Das heißt:

$s=\frac {2k+1}{2}\cdot \lambda$

Setzt man beide Formeln gleich, so ergibt sich:

$2d + \frac { \lambda}{2}=\frac {2k+1}{2}\cdot \lambda$

Gekürzt:

$2d=k\cdot \lambda$

Laut Höhensatz gilt:

r² = d(2R − d)

Da d sehr viel kleiner ist als R, bleibt:

$r^2=d\cdot 2R$

Also:

$d=\frac{r^2}{2R}$

In die gekürzte Gleichung eingesetzt:

$2\cdot \frac {r^2}{2R}=k\cdot \lambda$

Wieder gekürzt:

$\frac {r^2}{R}=k\cdot \lambda$

Umgestellt ergibt sich für den Radius des k-ten Ringes:

$r=\sqrt{k \lambda R}$

k ist die Nummer des (dunklen) Kreises vom Zentrum aus gezählt

λ ist die Wellenlänge des Lichtes, das den Ring erzeugt

R ist der Krümmungsradius der Linse

Auftreten

Newtonsche Ringe

• Optische Oberflächen, die sich berühren oder gegenüberstehen, wie bei unverkitteten Linsen. Durch Aufsprengen^[1] oder Verkitten kann dies vermieden werden.
• Linsen, Spiegelrohlinge und planparallele Platten, die in Prüf-Glasformen gelegt werden (Qualitätskontrolle)
• Bei in Glas gerahmten Dias treten Farbsäume auf. Die Newtonschen Ringe entstehen durch die unterschiedlich dicke Luftschicht zwischen Glas und Diafilm. Der Effekt lässt sich durch raue Oberflächen von sog. Anti-Newton-Glas vermeiden.

Interferenzfarben

• Sobald die Schichtdicke von Seifenblasen kleiner als 5 Mikrometer wird, treten bunte Farbeffekte auf. Das an der Innenseite reflektierte Licht interferiert mit dem an der Außenseite reflektierten.

Öltropfen auf einer feuchten Straßenoberfläche

• Auf wässrigen Oberflächen verteilen sich Ölflecke. Wenn der Ölfilms ausreichend dünn ist, bilden sich Farbeffekte wie auf nebenstehendem Bild.
• Die inneren Farben eines Regenbogens, die manchmal im Anschluss an die Brechungsfarben zu sehen sind, beruhen auf Interferenzen.
• Die Anlauffarben von Stahl oder anderen Metallen sind dünne Oxidschichten. Die Farbe entsteht durch Interferenz

Nutzen und Verwendung

Aus Interferenzfarben erhält man Hinweise auf die Schichtdicken: Der Ölfleck im Bild rechts hat eine sichtbare Ausdehnung von ca. 30 x 30 cm. Jeder Farbwiederholung entspricht eine Schichtdickenzunahme von außen nach innen um ca. 250 nm - der halben mittleren Wellenlänge des Lichts. Der Tropfen, der den Ölfleck verursachte, hatte demnach ein Volumen von wesentlich weniger als 1 mm³, selbst wenn man annimmt, dass er außen am Rand zur Dicke 0 ausläuft und dort keine Interferenz mehr zeigt.

Der Effekt wird genutzt, um die Qualität der Form von Linsen zu beurteilen. Die Anzahl der zu beobachtenden Ringe bei Einlegen der Linse in eine Referenzform dient dabei zuweilen als Maß für die Qualität. Anhand der Ringe oder „Höhenlinien“ können auch Dickenschwankungen dünner Schichten abgeschätzt werden.

Eine frühe Form des Reflexvisiers basierte ebenfalls auf diesem Effekt.

In der Fotografie und bei der Dia-Rahmung oder Dia-projektion sind Newtonsche Ringe unerwünscht. Sie entstehen, wenn die transparente, glatte Filmträgerfolie auf Glas aufliegt.

Einzelnachweise

1. ↑ Aufsprengen in der Optikfertigung