Dispersion am Besipiel des Regenbogens

Mein Name ist Michael Krause. Ich bin Professor für Physik und angewandte Lasertechnik hier in der Hochschule in Merseburg und ich möchte heute erklären, warum jeder seinen eigenen Regenbogen sieht und was das mit Dispersion zu tun hat. Dispersion beschreibt in den Naturwissenschaften ganz unterschiedliche Phänomene. In der Physik, genauer gesagt in der Wellenphysik, beschreibt Dispersion die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungseigenschaften von Wellen durch lineare Medien. In der Optik spricht man meistens von der Wellenlängenabhängigkeit der Brechtzahl. Die Brechtzahl ist ein dimensionsloses Maß dafür, wie stark ein Medium die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle, Lichts, im Vergleich zur Ausbreitungsgeschwindigkeit in Vakuum reduziert. Sie ist daher definiert als das Verhältnis von Lichtgeschwindigkeit zu Phasengeschwindigkeit im Medium. Üblicherweise veranschaulicht man den Effekt der Dispersion anhand von Glasprismen. Es gibt aber ein Phänomen, das uns allen viel näher ist und das genauso gut zur Erläuterung der Dispersion herangezogen werden kann. Es geht um den Regenbogen und dass auch Wasser, Licht in seine spektralen Anteile zerlegen kann, haben wir mit diesem kleinen Versuchsaufbau hier nachgestellt. Wir haben also eine Lichtquelle, wir haben eine Kollimationsoptik und wir haben ein mit Wasser gefülltes Prisma und wir können die Aufspaltung des Lichtes in unterschiedliche Spektralfarben hier auf diesem Detektorschirm sichtbar machen. Wenn wir die Effekte des Regenbogens näher erläutern wollen, ist es am einfachsten zunächst ein einzelnes isoliertes Wassertröpfchen zu machen. zu betrachten. Wir haben also ein als ideal kugelförmig anzusehendes Wassertröpfchen. Das wird von einem Lichtstrahl getroffen und an dieser ersten Grenzfläche Luft-Wasser wird das Licht sowohl reflektiert als auch transmitiert, also durchgelassen. Es gelangt also ins Innere des Tröpfchens. wird an dieser Grenzfläche Wasserluft abermals reflektiert und transmitiert und kann entweder hier detektiert oder der reflektierte Strahl hier aufgefangen werden. Wenn wir jetzt einen Strahl betrachten, der nicht auf dieser Linie auf das Wassertröpfchen fällt, sondern weiter oben, Dann würde sich der Weg des Lichts durch das Wassertröpfchen ändern. Es würde an dieser Grenzfläche gebrochen werden, an dieser Grenzfläche reflektiert und würde das Wassertröpfchen wieder unter einem gewissen Winkel verlassen. Und diesen Winkel Kann man messen. und Er ist für unterschiedliche Abstände von dieser zentralen Achse auch unterschiedlich, aber nicht beliebig. Es gibt einen Maximalwinkel und dieser Maximalwinkel wird auch von benachbarten Strahlengängen faktisch immer wieder getroffen. Was bedeutet, dass ein Beobachter diesen austretenden Strahl in seiner Beobachtungsposition wahrnehmen könnte. Dieser Winkel hängt aber auch von der Wellenlänge des Lichtes ab. Für rotes Licht Beträgt der im Falle von Wasser? 42 Grad, für grünes Licht 41 Grad und für blaues Licht 40 Grad. Vielen Dank. Jetzt ist ein Regenbogen ein kollektiver Effekt. Das heißt, einzelne Regentröpfchen tragen individuell, aber in der Gesamtheit zu der optischen Erscheinung bei. Damit das stattfindet, muss der Beobachter eben genau diesen Winkel relativ zu den Wassertröpfchen einnehmen. Man muss aber auch bedenken, dass die Wassertröpfchen ja von oben nach unten fallen. Das heißt, jedes fallende Tröpfchen, das von dieser Seite mit Licht beschienen wird, würde unterschiedliche Beobachtungswinkel adressieren können und damit auch unterschiedliche Spektralfarben. Und die Gesamtheit aller Tröpfchen... die dieses Phänomen zeigen. sorgt dafür, dass wir einen statischen Regenbogen wahrnehmen können. Und da es extrem von der Beobachtungsposition abhängt, ist klar, dass jeder seinen eigenen Regenbogen sieht. Streng genommen sieht sogar jedes Auge seinen eigenen Regenbogen.