Newtonsche Ringe

Newtonsche Ringe

Newtonsches Ringe, entstanden durch eine schwach gekrümmte Linse (Krümmungsradius ca. 13 m) und einer ebenen Platte, beleuchtet durch das einfarbige Licht einer Natriumdampflampe.
Skizze der Linse und der planen Auflage. Die Krümmung der Linse ist stark übertrieben dargestellt.
Newtonsche Ringe zwischen zwei nahezu planen Flächen aufeinander liegender Linsen.

Newtonsche Ringe (auch Newtonringe, nach Isaac Newton benannt) sind Hell-Dunkel-Zonen oder Interferenzfarben, die durch Interferenz am Luftspalt zwischen zwei reflektierenden, nahezu parallelen Oberflächen entstehen.

Entstehung von Ringen

Konzentrische Ringe entstehen bei der nachfolgend beschriebenen Anordnung. Eine Linse mit großem Krümmungsradius R liegt mit der gekrümmten Fläche auf einer ebenen Glasplatte, zwischen deren beiden Grenzflächen besteht ein Luftspalt 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. Mit weißem Licht entstehen farbige Ringe, deren Intensität mit dem Radius abnimmt.

Die farbigen Muster auf Seifenblasen und dünnen Ölschichten auf Wasser haben eine ähnliche Ursache wie die Newtonringe. Im Unterschied zu den Newtonringen entsteht hier die Interferenz nicht an einem dünnen Luftspalt, sondern an einer dünnen Schicht transparenten Materials.

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) sein. Je kurzwelliger 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.

Ausschnittvergrößerung der Newtonringe zwischen zwei Plankonvexlinsen

Wird weißes Licht eingestrahlt, entstehen farbige Ringe. Der Grund für die Farben liegt darin, dass die Bedingung für Interferenz für unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Spaltdicken erfüllt ist. Im Bild der aufeinander liegenden Glaslinsen ist die Reflexion an den sich nahe kommenden Oberflächen abgebildet. Wenn die Bedingung für destruktive Interferenz erfüllt ist, wird das Licht der jeweiligen Farbe nicht reflektiert. Es verbleibt das restliche Spektrum und erzeugt die Komplementärfarbe. Der Abstand der Ringe für eine bestimmte Farbe ist umso größer, je größer die Wellenlänge der Farbe ist. Das bedeutet, dass sich die Abfolge der Farben nach außen hin allmählich verschiebt. Außerdem überlagern sich die Ringe verschiedener Farben und es entstehen Farben durch additive Farbmischung. In der Ausschnittvergrößerung erkennt man, bei den inneren, breiten Ringen deutlich getrennte rote und grüne Streifen. Nach links hin überlagern sich die beiden Farben zu einem Gelb. Ganz außen treten sie wieder getrennt, jedoch in umgekehrter Reihenfolge auf.

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}\lambda $

Setzt man beide Formeln gleich, so ergibt sich:

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

Vereinfacht:

$ 2d=k \lambda $

Laut Höhensatz gilt:

$ r^2=d(2R-d) $

Da d sehr viel kleiner ist als R, bleibt:

$ r^2=2 d R $

Also:

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

In die vereinfachte Gleichung eingesetzt:

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

Gekürzt:

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

Glimmerscheibe (Muskovit) mit Newtonschen Ringen.
  • Optische Oberflächen, die sich berühren oder gegenüberstehen, wie bei unverkitteten Linsen. Durch Aufsprengen oder Verkitten kann dies vermieden werden.
  • Linsen, Spiegelrohlinge und planparallele Platten, die in Prüfglasformen 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.
  • Man kann in der Luftschicht zwischen Glimmerflächen in Mineralien wie Muskovit Newtonschen Ringe sehen.

Nutzen und Verwendung

Der Effekt wird genutzt, um die Qualität der Form von Linsen zu beurteilen. Die Anzahl und Symmetrie 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. Auch für die berührungsfreie Güteprüfung von Spiegeln hoher und höchster Qualität, vor allem für Spiegelteleskope, wird der Effekt genutzt.

Eine frühe Form des Reflexvisiers basierte ebenfalls auf diesem Effekt.

Weblinks

 <Lang> Commons: Newtonsche Ringe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Newtonsche Ringe (Newton-gyűrűk, ungarisch) Video von zwei einfachen Experimenten

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


05.08.2021
Exoplanet mit lediglich der halben Masse der Venus aufgespürt
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile neue Erkenntnisse über Planeten um den nahen Stern L 98-59 gewonnen, die denen des inneren Sonnensystems ähneln.
05.08.2021
Superflares: für Exoplaneten weniger gefährlich als gedacht
Superflares, extreme Strahlungsausbrüche von Sternen, standen bisher im Verdacht, den Atmosphären und damit der Habitabilität von Exoplaneten nachhaltig zu schaden.
05.08.2021
„Spin“ einer Nanoschallwelle erstmals in Echtzeit nachgewiesen
Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam ist es gelungen, die rollende Bewegung einer Nanoschallwelle nachzuweisen. Diese hatter der Physiker und Nobelpreisträger Lord Rayleigh 1885 vorhergesagt.
31.07.2021
Wasserdampf-Atmosphäre auf dem Jupitermond Ganymed
Internationales Team entdeckt eine Wasserdampfatmosphäre auf der sonnenzugewandten Seite des Mondes Jupiter-Mondes Ganymed. Die Beobachtungen wurden mit Hubble-Teleskop gemacht.
31.07.2021
Der Quantenkühlschrank
An der TU Wien wurde ein völlig neues Kühlkonzept erfunden. Computersimulationen zeigen, wie man Quantenfelder verwenden könnte, um Tieftemperatur-Rekorde zu brechen.
31.07.2021
Warum Bierdeckel nicht geradeaus fliegen
Wer schon einmal daran gescheitert ist, einen Bierdeckel in einen Hut zu werfen, sollte nun aufhorchen: Physiker der Universität Bonn haben herausgefunden, warum diese Aufgabe so schwierig ist.
27.07.2021
Topologie in der Biologie
Ein aus Quantensystemen bekanntes Phänomen wurde nun auch im Zusammenhang mit biologischen Systemen beschrieben: In einer neuen Studie zeigen Forscher dass der Begriff des topologischen Schutzes auch für biochemische Netzwerke gelten kann.
26.07.2021
Nadel im Heuhaufen: Planetarische Nebel in entfernten Galaxien
Mit Daten des Instruments MUSE gelang Forschern die Detektion von extrem lichtschwachen planetarischen Nebeln in weit entfernten Galaxien.
26.07.2021
Langperiodische Schwingungen der Sonne entdeckt
Ein Forschungsteam hat globale Schwingungen der Sonne mit sehr langen Perioden, vergleichbar mit der 27-tägigen Rotationsperiode der Sonne, entdeckt.
26.07.2021
Ein Stoff, zwei Flüssigkeiten: Wasser
Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften möglicherweise der Tatsache, dass es aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht.
26.07.2021
Ins dunkle Herz von Centaurus A
Ein internationales Forscherteam hat das Herz der nahegelegenen Radiogalaxie Centaurus A in vorher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet.
26.07.2021
Ein möglicher neuer Indikator für die Entstehung von Exoplaneten
Ein internationales Team von Astronomen hat als erstes weltweit Isotope in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen.
26.07.2021
Auf dem Weg zur Supernova – tränenförmiges Sternsystem offenbart sein Schicksal
Astronomen ist die seltene Sichtung zweier Sterne gelungen, die spiralförmig ihrem Ende zusteuern, indem sie die verräterischen Zeichen eines tränenförmigen Sterns bemerkten.
26.07.2021
Quantenteilchen: Gezogen und gequetscht
Seit kurzem ist es im Labor möglich, die Bewegung schwebender Nanoteilchen in den quantenmechanischen Grundzustand zu versetzen.
26.07.2021
Ein Kristall aus Elektronen
Forschenden der ETH Zürich ist die Beobachtung eines Kristalls gelungen, der nur aus Elektronen besteht. Solche Wigner-​Kristalle wurden bereits vor fast neunzig Jahren vorhergesagt, konnten aber erst jetzt direkt in einem Halbleitermaterial beobachtet werden.
26.07.2021
Neue Erkenntnisse zur Entstehung des chaotischen Terrains auf dem Mars
Gebiete wie diese gibt es auf der Erde nicht: Sie sind durchzogen von Kratern, Rissen, Kämmen, Tälern, großen und kleinen eckigen Blöcken.
26.07.2021
Synthese unter Laserlicht
Eine Forschungsgruppe hat neue Methode zur Bildung von protoniertem Wasserstoff entdeckt. Mit starken Laserpulsen erzeugen Physiker des attoworld-Teams am Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals protonierten Wasserstoff an Nanooberflächen.
26.07.2021
Materiestraße im All lässt Galaxienhaufen wachsen
Vor einem halben Jahr meldeten Astronomen der Universität Bonn die Entdeckung eines extrem langen intergalaktischen Gasfadens mit dem Röntgenteleskop eROSITA.
26.07.2021
Kosmischer Treffpunkt für Galaxienhaufen
Was treibt Galaxien an, oder führt zu ganzen Ansammlungen von Galaxien – sogenannte Galaxienhaufen? Obwohl kosmologische Modelle und Simulationen diese Strukturen und die Rolle, die sie spielen könnten, vorausgesagt haben, ist die Bestätigung ihrer Existenz durch die Beobachtung mit dem Röntgen-Weltraumteleskop eROSITA ziemlich neu.
28.06.2021
Quantensimulation: Messung von Verschränkung vereinfacht
Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem bisher kaum zugängliche Größen in Quantensystemen messbar gemacht werden können.
28.06.2021
Exotische Supraleiter: Das Geheimnis, das keines ist
Wie reproduzierbar sind Messungen in der Festkörperphysik? Ein Forschungsteam analysierte wichtige Messungen neu. Sie fanden heraus: Ein angeblich sensationeller Effekt existiert gar nicht.
28.06.2021
Paradoxe Wellen: Gefangene Lichtteilchen auf dem Sprung
Physikern ist es gelungen, ein neuartiges Verhalten von Lichtwellen zu beobachten, bei welchem Licht durch eine neue Art von Unordnung auf kleinste Raumbereiche begrenzt wird.
28.06.2021
Isolatoren bringen Quantenbits zum Schwitzen
Schwachleitende oder nichtleitende Materialien haben Innsbrucker Physiker als wichtige Quelle für Störungen in Ionenfallen-Quantencomputern identifiziert.
23.06.2021
Fürs Rechenzentrum: bisher kompaktester Quantencomputer
Quantencomputer waren bislang Einzelanfertigungen, die ganze Forschungslabore füllten.
17.06.2021
Helligkeitseinbruch von Beteigeuze
Als der helle, orangefarbene Stern Beteigeuze im Sternbild Orion Ende 2019 und Anfang 2020 merklich dunkler wurde, war die Astronomie-Gemeinschaft verblüfft.