Projekttag des Leistungskurses Physik zum Thema Interferenz

Von: Martin Lindenthal

Modell für die Röntgenstrukturanalyse am Beispiel einer CD

Am Do 27.06.2013 fanden sich 23 Schülerinnen und Schüler des Leistungskurses Physik im Physikübungssaal ein.

Die Interferenz (kurz: ungestörte Überlagerung  zweier oder mehrerer Wellen), als ein zentrales Thema im 2. Halbjahr, hat viele Anwendungsbeispiele in der Natur und in der Technik. Beispielsweise kann man die schillernden Farben einer CD mithilfe der Interferenz erklären.

Trifft Licht schräg auf eine CD, so wird es je nach Farbanteil unterschiedlich an dem in das Plexiglas hinein gebrannte Muster reflektiert, dabei überlagern sich die verschiedenen Anteile nach der Reflexion wieder, wodurch es zu der beobachteten Farberscheinung kommt. Etwas anders sieht es bei der Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle (also Licht einer bestimmten Frequenz) aus.

Die Schüler hatten den Arbeitsauftrag, mit Hilfe eines Laserpointers bekannter Wellenlänge (633nm), den Rillenabstand dieses Musters experimentell zu bestimmen. Dieser Rillenabstand besagt auch etwas über die Datenmenge, die auf einer CD Platz findet, aus.

Dazu spannten Sie den Laserpointer fest in eine Muffe, ließen das Licht schräg auf die CD fallen und bestimmten mit Hilfe eines Lineals die Abstände des 0. Maximums und des 1. Maximums auf dem Beobachtungsschirm (Wand).
Obwohl die Schüler alle verschiedene Einfallswinkel und verschiedene Schirmabstände wählten, erhielten alle Gruppen das gleiche Ergebnis für den Rillenabstand einer beschriebenen CD, nämlich d =1,6µm.

Erstaunlich für die meisten Schüler war, dass es möglich ist, mit den einfachen Hilfsmitteln, wie einem Metermaß und einem handelsüblichen Laserpointer, so kleine Strukturen auflösen zu können, bzw. in den Mikrokosmos vorzustoßen.

Dieses Verfahren findet auch eine Anwendung in der sogenannten Röntgenstrukturanalyse. Hier wird eine unbekannte kristalline Probe mit Röntgenlicht bekannter Wellenlänge unter den gleichen Bedingungen „beleuchtet“, wie es die Schüler im Schülerexperiment auch taten. Einziger Unterschied ist die verwendete Lichtquelle (Laserpointer – Röntgenstrahl). Werden die Reflexe der geschwärzten Fotoplatte mit Hilfe eines  Metermaßes ausgemessen, so erhält man durch eine nicht allzu schwere Rechnung (Kenntnisse der Cosinus- und Tangensfunktion reichen schon), wie oben den Abstand der Netzebenen im Kristall, der für jede Verbindung typisch ist. Kennt man nun den Abstand der Netzebenen, so kennt man die unbekannte Verbindung (also z.B. NaCL oder LiF …..).

Die Schülerinnen und Schüler konnten an diesem Projekttag das typische Vorgehen eines Physikers selbst erleben – nämlich mit Hilfe eines einfachen Modells (Laserpointer – CD), komplexere Vorgänge (Röntgenstrukturanalyse) zu verstehen.