5. – 8. Schuljahr

Peter Michael Westhoff, Nils Haverkamp und Susanne Heinicke

Oberflächlichkeiten in der Optik

Oberflächen experimentell näher beleuchten

Fynn betrachtet die Skizze vor sich skeptisch: „Die Lampe sieht man, weil sie ja leuchtet. Das ist einfach. Den weißen Ball sehe ich, weil das Licht drauffällt. Aber komisch eigentlich. Der leuchtet ja selber gar nicht. Das Licht bleibt auf dem Ball irgendwie drauf liegen oder so. Er grübelt weiter.
Reflexion, Transmission, Absorption und Streuung sind keine einfachen Phänomene der Oberflächenoptik. Sie führen sowohl ungewohnte Konzepte des Verstehens als auch neue Begriffe ein und bedürfen guter Beispiele und Visualisierungen.
Wir stellen im Folgenden Experimentiermaterial vor, das für den Unterricht der 6. – 8. Klasse und für die Lehrerausbildung konzipiert sowie in beiden Kontexten eingesetzt wurde. Diese Materialien sind insbesondere
  • einfach und preisgünstig herzustellen,
  • einfach in der Handhabung durch die Schülerinnen und Schüler,
  • geeignet, um die verschiedenen Phänomene der Interaktion von Licht an Oberflächen möglichst trennscharf darzustellen, und
  • geeignet, um Übergänge zwischen zwei Interaktionsformen zu thematisieren, z.B. von Transmission zu Streuung oder von Streuung zu Absorption.
Die Krux mit der Oberfläche
Um die Wechselwirkung von Licht und Materie zu beschreiben, bedarf es eigentlich einer quantentheoretischen Betrachtung. In der Schule bietet es sich an, die Phänomene auf einer makroskopischen Ebene und rein phänomenologisch zu betrachten.
Wechselwirkungen von Licht und Materie
Trifft Licht auf ein Material, so lassen sich im weitesten Sinne drei mögliche Konsequenzen unterscheiden:
  • Das Licht geht durch das Material hindurch. Dies wird als Transmission bezeichnet. (Die Photonenenergie ist mit den nötigen Anregungsenergien der äußeren Elektronen nicht kompatibel.)
  • Das Licht wird vom Material aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Dies wird als Absorption bezeichnet. (Die Photonenenergie ist zu den Energien kompatibel, die die Elektronen aufnehmen können. Es wird nicht als Photon emittiert, sondern in Wärme umgewandelt.)
  • Das Licht wird vom Material zurückgeworfen. Dies wird als Reflexion bezeichnet. (Die Photonenenergie wird von Elektronen aufgenommen und durch Emission eines Photons wieder abgegeben.)
Für jede der drei Konsequenzen fallen einem schnell Beispiele ein. Die Transmission lässt sich beobachten, wenn Licht auf Glas trifft. Schwarze Materialien werden warm, wenn sie lange in der Sonne liegen, und müssen somit Licht absorbieren. Reflexion lässt sich z.B. an Spiegeln beobachten. Aber auch von weißem Papier wird Licht ganz offensichtlich reflektiert. Schließlich sieht man das Papier, weil einfallendes Licht vom Papier zurück ins Auge reflektiert wird. Licht verhält sich aber an den Oberflächen von Papier und Spiegeln nicht gleich. Deshalb unterscheidet man die gerichtete Reflexion, z.B. an Spiegeln, und die diffuse Reflexion, z.B. an Papier, häufiger Streuung genannt.
Die unterschiedlichen Phänomene entstehen durch unterschiedliche Oberflächen- bzw. Materialeigenschaften:
  • Die gerichtete Reflexion tritt an Oberflächen auf, die sehr glatt sind und eine sehr gleichmäßige Materialstruktur haben.
  • Streuung tritt an Materialien mit ungleichmäßigen Oberflächen- und Materialstrukturen auf. Weißes Papier besteht beispielsweise aus Fasern und hat Lufteinschlüsse, die zusammen zu einer sehr unregelmäßigen Oberfläche führen. Ob Materialien streuen oder nicht, hängt von Ungleichmäßigkeiten ihrer Oberfläche ab, die mindestens der Größenordnung von Wellenlängen entsprechen.
Beispiele für verschiedene Materialien
Als Beispiel für ein Material, an dem Transmission beobachtet werden kann, wurde oben die Glasscheibe angeführt. Aus dem Alltag ist aber bekannt, dass man sich auch in einer gewöhnlichen Glasscheibe spiegeln kann. Zusätzlich zur Transmission tritt also außerdem Reflexion auf.
Betrachtet man weitere Materialien, erkennt...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen