Optikexperimente

Im März und Mai 2023 haben wir in der AGL Jugendgruppe eine paar coole Experimente durchgeführt, um einige Grundlagen der Optik anschaulich zu erleben und zu verstehen.

Beugung und Interferenz

Am ersten Abend schauten wir uns zuerst das Prinzip der Beugung von Licht an. Dazu haben wir das Licht von einem Stern (simuliert mit einem Lichtpointer) durch verschiedene Medien hindurch angeschaut. Durch Beugung verändert sich das Bild des Sterns jeweils.

Stern durch Lochblende — Ein Stern durch eine sehr kleine Lochblende hindurch angeschaut: Es sind mehrere Beugungsringe zu sehen. Je kleiner das Loch ist, umso grösser sind die Ringe.

Stern durch Nylonstrumpf — Ein Stern durch einen Nylonstrumpf hindurch angeschaut: Das kreuzweise Gewebe des Stoffes erzeugt einen vierzackigen Beugungsstern!

Stern durch Notfall-Gazebinde — Ein Stern durch eine Notfall-Gazebinde hindurch angeschaut: Die ungeordneten Fasern der Gazebinde erzeugen einen diffusen, kreisförmigen Lichthof. Der Vollmond im Nebel sieht manchmal ähnlich aus

Computersimulation von einem Stern im Teleskop. Das Beugungsmuster mit den Ringen bewegt sich wegen der Luftunruhe („seeing“). (Teleskopgrösse 177 mm, Seeing 2 Bogensekunden FWHM)

Nachher haben wir mit der Erscheinung der Interferenz anschaulich gesehen, dass Licht eine Welle ist. Es war sehr überraschend, dass ein Stern plötzlich dunkle Linien zeigt, wenn man ihn GLEICHZEITIG durch ZWEI kleine Löcher betrachtet! Niemand hatte im Voraus erraten, was passieren würde 🙂

Stern durch zwei Löcher — Ein Stern gleichzeitig durch zwei kleine Löcher hindurch betrachtet: plötzlich sieht man dunkle Linien (sogenannte Interferenzstreifen)! Das ist ein Beweis, dass Licht eine Welle ist. Je weiter die beiden Löcher voneinander entfernt sind, umso enger werden die Linienmuster.

Stern durch sechs Löcher (Webb Teleskop) — Ein Stern gleichzeitig durch sechs Löcher hindurch betrachtet: Nun sehen wir bienenwabenförmige Beugungsmuster, ähnlich wie beim Webb Teleskop (welches sechseckige Spiegelsegmente hat).

Vortrag James Webb Teleskop — Das Webb Weltraum Teleskop mit seinem wabenförmigen Hauptspiegel, der aus 18 sechseckigen Spiegelsegmenten mit je 1.3 Meter Grösse zusammengesetzt ist.

Webb Bild mit Beugungsmustern bei hellen Sternen — Ausschnittvergrösserung aus dem Carina Nebel, fotographiert mit dem Webb Weltraum Teleskop. Bei hellen Sternen sieht man die charakteristischen, 8-zackigen Beugungsmuster.

Webb Weltraum Teleskop Beugungsmuster — Das Webb Weltraum Teleskop: Wie die Details seiner komplexen Beugungsmuster bei hellen Sternen entstehen (Quelle: NASA)

Spektroskopie

Schliesslich haben wir uns das Spektrum einer brennenden Kerze angeschaut und gesehen, dass die heisse Flamme alle Regenbogenfarben (von Blau über Grün und Gelb bis zu Rot) aussendet. Sobald wir aber mit einer Gewürzmühle einige Salzkörner in die Kerzenflamme gestreut haben, dann ist genau eine Farbe ganz hell aufgeleuchtet! Salz ist chemisch Natriumchlorid (NaCl) und wir sehen hier Licht des chemischen Elementes Natrium. Diese Methode nennt sich Spektroskopie und damit können wir genau herausfinden, aus welchen chemischen Elementen z.B. die Sonne und alle Sterne bestehen.

Das Spektrum einer Kerzenflamme, mit eingestreutem Salz (NaCl). Die hell aufleuchtende, gelb-orange Linie (bei 589 Nanometer Wellenlänge) stammt vom chemischen Element Natrium (Na).

24. März 2023: anwesend waren Gian-Andrin Bruggmann, Cedric Ettlin, Milan Geuss, Dorian Horber, Gilles Koch, Luca Tresch, Elmar Wüest und Roland Stalder

Teleskopspiegel testen

Am zweiten Abend haben wir gesehen, wie hochpäzise Teleskopspiegel optisch getestet werden können. Ein Teleskopspiegel muss das parallel einfallende Sternenlicht in einen Punkt fokussieren (das ist der Brennpunkt). Die richtige Spiegelform dafür ist eine konkave, rotationssymmetrische Parabel. Ein „Kugelspiegel“ (seine konkave Spiegelfäche ist ein Teil einer Kugeloberfläche) würde das Licht aus dem Kugelmittelpunkt wieder genau dorthin zurück spiegeln – ein flacher Spiegel (Planspiegel) fokussiert das Licht gar nicht.

Die einfachste Methode, um einen Teleskopspiegel sehr genau zu testen ist der sogenannte Foucault Test. Der Aufbau besteht nur aus einer kleinen Lichtquelle (künstlicher Stern) und einer beweglichen Rasierklinge.
Ein perfekter Teleskopspiegel sollte eine Oberflächenform haben, die möglichst nicht mehr als etwa 1/20 Wellenlänge von der korrekten Parabelform abweicht. Die optische Wellenlänge beträgt etwa 500 Nanometer (ein Nanometer ist 10^-9 oder 0.000000001 Meter!) – das heisst die tolerierbaren Fehler sind nur 25 Nanometer. Solche winzigen Fehler kann der Foucault Test problemlos zeigen.

Wir haben das sehr eindrücklich direkt erleben können mit einigen Experimenten zu Schlierenoptik vor einem Kugelspiegel mit 200 mm Durchmesser. Der Foucault Test zeigt sogar die optischen Störungen, welche unsere, durch die Nase ausgeatmete Luft verursacht. Auch die von unserer Hand aufsteigende, warme Luft ist problemlos sichtbar. Wenn wir Gas aus einem Feueranzünder ausströmen lassen, können wir sehen, wie dieses vor dem Spiegel absinkt. Dramatische Effekte erzeugen dann ein brennender Feueranzünder oder eine Kerzenflamme.

Schlierenoptik von einem Gesicht: warme Luft strömt aus der Nase

Schlierenoptik: warme Luft steigt von einer Hand auf

Schlierenoptik von einem Gasanzünder: zuerst strömt nur kaltes Gas aus der Spitze (und sinkt langsam nach unten), nachher zünden wir die Gasflamme an!

Schlierenoptik von einer Kerzenflamme: ganz unten ist die Flamme der brennenden Kerze zu sehen – alles weiter oben ist heisse Luft, die schnell aufsteigt.

12. Mai 2023: anwesend waren Gian-Andrin Bruggmann, Milan Geuss, Gilles Koch, Joy Sigrist, Luca Tresch, Elmar Wüest und Roland Stalder

Sonnenspektrum und Fraunhofer Linien

Am dritten Abend haben uns mit dem Spaltspektrografen des Sonnenteleskops das Sonnenspektrum genauer angeschaut. Im etwa 50 cm langen Spektrum sind zahlreiche dunkle Linien sichtbar, die sogenannten Fraunhofer Linien. Jede dieser Linien entspricht dem Fingerabdruck eines chemischen Elements. Mit der Analyse dieser Linien (man nennt das Spektroskopie) wird es möglich, die genaue Zusammensetzung der Sonne zu bestimmen.

Fraunhoferlinien Spaltspektrografen des Sonnenteleskops — Spaltspektrograf des Sonnenteleskops mit Sonnenspektrum

Fraunhoferlinien Detail Spaltspektrografen des Sonnenteleskops — Ausschnitt des Sonnenspektrums: Fraunhoferlinien im Detail

Wenn wir das Sonnenlicht durch verschiedene Filter hindurch gehen lassen, dann wird klar, dass jeweils ein Teil des Lichtes absorbiert wird.

Im Bild anbei wurden von oben nach unten folgende Filter verwendet:
1) ohne Filter
2) Grünfilter (blaues und rotes Licht wird absorbiert)
3) Gelbfilter (blaues Licht wird absorbiert)
4) Rotfilter (blaues und grünes Licht wird absorbiert)
sowie die drei schmalbandigen Interferenz Filter
5) UHC Filter
6) H-beta Filter
7) OIII Filter

Spektrum Sonne mit verschiedenen Filtern — Spektrum der Sonne mit verschiedenen Filtern

26. Mai 2023: anwesend waren Gian-Andrin Bruggmann, Milan Geuss, Gilles Koch, Joy Sigrist, Luca Tresch, Livio Nussbaumer, Valentin Perrez, Elmar Wüest und Roland Stalder