Panorama

Lichtspiele mit hängenden Tröpfchen

26.02.2020 - Eine gewöhnliche Frischhaltefolie erzeugt in einem Kochtopf ein farbenprächtiges Interferenzmuster.

Für dieses Experiment füllt man warmes Wasser etwa einen Zentimeter hoch in einen Kochtopf, den man anschließend mit handelsüblicher Frischhaltefolie aus Polyethylen abdeckt. Damit die Folie die Topföffnung wie eine faltenfreie Membrane überspannt, muss man ihren Sitz korrigieren. Dies erfolgt durch Ziehen an der überstehenden Folie, die ein übergestülpter Gummiring an die äußere Seitenwand des Topfes presst.

Bereits nach kurzer Zeit beschlägt die Folie von innen, da der Dampf des verdunstenden Wassers an ihr kondensiert. Nun wird noch eine möglichst punktförmige Weißlichtquelle benötigt, die man sich aus einer Taschenlampe durch Abschrauben des Reflektors herstellen kann. In einem abgedunkelten Raum kommt das Phänomen am deutlichsten zum Vorschein, wenn man die beschlagene Folie aus einer Distanz von wenigen Zentimetern mit der präparierten Taschenlampe von oben beleuchtet und von schräg oben darauf blickt.

In ihrer Gesamtheit ist die Erscheinung äußerst komplex.  Variationen der geometrischen Anordnung von Lichtquelle und Beobachter zeigen, dass sich eine umfassendere Struktur pixelartig aus den Schillerfarben der Einzeltröpfchen zusammensetzt.

Visiert ein Betrachter die Punktlichtquelle mit einem Auge an, dann durchstößt die Visierlinie in ihrem weiteren Verlauf die Folie. Verlängert man den Abstand zwischen diesem Durchstoßpunkt und der Lichtquelle, dann sieht man die Strukturen der optischen Erscheinung vergrößert. Diese Zoomwirkung bringt ein spezielles Teilphänomen zum Vorschein, wenn man den im Umkreis der Lichtquelle befindlichen Ausschnitt herausvergrößert. Wie Abbildung 1 zeigt, handelt es sich dabei um ein farbiges Interferenzmuster. Eine herausragende Eigenschaft dieses Interferenzmusters besteht darin, dass man es wie ein reelles Bild auf einem Schirm einfangen kann. Lokalisiert ist es in einer Ebene, in der auch die Lichtquelle liegt.

In welcher Größe das Interferenzmuster dem Betrachter erscheint, hängt außerdem von der Größe der an der Folie haftenden Tröpfchen ab. Während die Tröpfchen nach dem Auflegen der Folie durch den Kondensationsvorgang allmählich anwachsen, verringern sich nämlich die Winkelabstände zwischen benachbarten Interferenzstreifen. Dies legt nahe, dass das Interferenzmuster auf die jeweilige optische Wirkung der einzelnen Tröpfchen zurückzuführen ist, zumal diese regellos auf der Folie verteilt sind.

Ob die räumliche Anordnung der Tröpfchen als Ursache auszuschließen ist, lässt sich durch den Austausch der Folie durch eine Glasplatte prüfen. An der Glasoberfläche kondensiert dann eine vergleichbare Formation von Tröpfchen, die aber bei der zuvor beschriebenen Beleuchtung statt eines Interferenzmusters lediglich die für beschlage Fensterscheiben typische Streuwirkung hervorbringt. Dass das Material der festen Oberfläche die optische Wirkung der Tröpfchen beeinflusst, liegt an der materialspezifischen Benetzbarkeit, von der die sich einstellende Tropfenform abhängt. Da die Folie weniger gut benetzbar ist als eine Glasoberfläche, haben daran haftende Tröpfchen etwa die Form einer Halbkugel, während sie auf Glas die Form eines flachen Kugelsegments besitzen.

Welche Wege das Licht innerhalb der Tröpfchen nimmt, um das Interferenzmuster hervorzubringen, lässt sich mit Mitteln der geometrischen Optik analysieren. Dieser einfache Ansatz bedingt allerdings Ungenauigkeiten, weil die Tropfenradien in einem frühen Wachstumsstadium unterhalb von 20 µm liegen, so dass streng genommen die anspruchsvolle Mie-Theorie anzuwenden wäre.

Die genaue Analyse dieses Phänomens können Sie in dem Artikel nachlesen, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Sie finden ihn bis Ende 2020 hier zum feinen Download. 

Wilfried Suhr, Bad Zwischenahn

Originalveröffentlichung

W. Suhr, Lichtspiele mit hängenden Tröpfchen, Phys. Unserer Zeit 51(1), 36 (2020); https://doi.org/10.1002/piuz.201901555

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