[Physik] Warum schillern CDs in buntem Farbmuster?
Guten Tag,
ich verstehe die folgende Aufgabe leider noch nicht so gut und freue mich sehr auf eure hilfreichen und leicht verständlichen Antworten.
Warum schillern CDs in buntem Farbmuster?
A: Weil sie als Mehrfachspalt wirken
B: Weil CDs unter dem Lack bunt sind
C: Weil durch Unregelmäßigkeiten im Lack das Licht unterschiedlich gebrochen wird
D: Weil es zu chromatischer Aberration durch heterogene Dysplasien kommt
E: Weil die Folien mehrere Schichten aus verschiedenfarbigen Folien enthalten
In der Lösung sehe ich, dass Antwort A richtig ist:
Mehrfachspalt = Optisches Gitter
Die Antwort hat leider nichts mit Lichtbrechung durch die Plastikfolie der CD zu tun, wie von manchen behauptet, sondern mit Interferenzmustern durch die Rillen in den Spuren der CD.
Kann mir das vielleicht jemand erklären? Interferenz kenne ich bis jetzt nur von Schall, wo es bei Überlagerung von gleicher (phasengleicher) Wellen zur vollständig konstruktiven Interferenz kommt und bei zwei gleichen Wellen, welche um eine halbe Wellenlänge verschoben sind, zur vollständig destruktiven Interferenz (so funktionieren ja Noise-Cancelling Kopfhöher). Aber was sind Interferenzmuster in den Rillen in den Spuren der CD und wie können diese das Licht in buntem Farbmuster erscheinen lassen?
Wie das Licht bei einer CD gebrochen wird ist wahrscheinlich auch ganz anders als bei der Lichtdispersion mit einem Prisma, oder?
2 Antworten
Interferenz gibt es bei jeder Wellenausbreitung. Bei Licht heißt das Diffraktion. Es ist keine Brechung durch Dispersion wie beim Prisma, sondern konstruktive bzw Destruktive Interferenz von Elementarwellen, die von jeder Streuquelle ausgehen. Da die jeweiligen Winkel der Interferenzen von der Wellenlänge abhängen, werden in einer gegebenen Richtung nur manche Wellenlängen ausgelöscht, nicht alle, daher die Farben. Ein ähnlicher Grund liegt übrigens bei bunt schillernden Ölpfützen vor, hier interferieren die Reflexionen von sehr dünnen Ölschichten auf Wasser.
Siehe hier:
https://javalab.org/en/light_interference_on_cd_surface_en/
Und hier:
https://i.ytimg.com/vi/yHnE_NC1r2w/maxresdefault.jpg
Das Licht tritt ein, trifft auf die CD. Die CD hat Erhebungen und flache Stellen. Auf denen wird das Licht leicht reflektiert. Das reflektierte Licht überlagert sich.
Die Rillen haben eine einheitliche Tiefe und sind eben, dadurch kommt es zu einer einheitlichen Reflektion von Wellen aus derselben Richtung.
Zudem unterscheidet sich die Phase zwichen dem Licht, das in eine Rille trifft und dem Licht, das auf eine Erhebung trifft minimal wenn beide zuvor dieselbe Phase hatten.
Für einen Laser, also Licht mit einheitlicher Wellenlänge und einheitlicher Phase, heißt das, dass das reflektierte Licht dieselbe Wellenlänge hat aber es gemäß dem Muster auf der CD zu Phasenverschiebunbgen und folglich zu Interferenz kommt.
Das wird genutzt, um eine CD zu lesen, indem die Interferenzmuster (schwankende Intensität je nach Winkel und CD-Muster) ausgelesen werden.
Bei Licht verschiedener Wellenlänge tritt ein ähnlicher Effekt auf, allerdings nur, wenn das Licht auch etwa dieselbe Phase hat und einheitliche Amplitude.
Siehe dafür auch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Interferenzfilter
Komm Licht auf die CD, so wird dieses reflektiert und je nach Reflektionsort kommt es wieder zu Phasenverschiebungen.
Diese Phasenverschiebung führt zu Interferenz und diese, abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts, zu teilweiser oder vollständiger Auslöschung oder zu Verstärkung.
Zudem ist auch der Einfalls- bzw. Ausfallswinkel entscheidend, was am Ende erklärt, wieso die CD je nach Winkel andere Farben zeigt.
Eine Herleitung dazu findest du hier:
https://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_interference
Das Tal wäre dabei die Reflektion hinten am Film, die Erhebung die Reflektion vorne.
Da wird aber keine Transmission haben, haben wir keinen Brechungsindex (oder nehmen das hier zur Vereinfachung einmal an).
Das führt zu einer Phasendifferenz von
d/cos(Reflektionswinkel);
Wobei d die Höhe einer Erhebung ist.
Es kommt also zu Phasenverschiebungen abhängig vom Reflexionswinkel, was zu Interferenz führt. Je nachdem, wie hoch die Phasenverschiebung ist udn je nachdem, wie groß die Wellenlänge ist, kommt es zu Auslöschung oder Verstärkung, entsprechend zeigen sich je nach Reflexionswinkel verschiedene Farben.
Die Voraussetzung ist, dass das einfallende Licht etwa Phasengleich ist und ähnliche Amplitude hat. Ohne Phasengleichheit wäre die Phasenverschiebung chaotisch und somit auch die Interferenz. Bei unterschiedlich starken Amplituden dominiert eine Welle die Interferenz und wird kaum beeinflusst.