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Physik im Alltag und Naturphänomene

Am Rande des schwarzen Lochs…

… ergeht sich die Natur noch einmal in den schönsten Spektralfarben, sortiert nach der Wellenlänge des Lichts. Könnte man angesichts des Fotos meinen – aber es ist viel profaner. Als ich im Anschluss an eine größere Feier die Warmhaltebehälter reinige, fällt mir auf, dass die von den Flammen der Brennpaste berußten Stellen von brillanten Farbringen umgeben sind. Wie entsteht eine solche Kolorierung?
In der Mitte der Flamme kommt es wegen deren allzu großer Nähe zum Topfboden nur zu einer unvollkommmenen Verbrennung, was zu einem Rußen der Flamme führt. Es setzt sich daher eine schwarze Rußschicht bestehend aus Kohlenstoff ab, an deren Rand es in einer dünnen Schicht zu einer oberflächlichen Oxidation (Verbindung mit Sauerstoff) des Stahls kommt. Je nach der Stärke der Hitzeeinwirkung variiert die Dicke der so entstehenden äußerst dünnen Oxidationsschicht. Die Schichtdicke ist von der Größenordnung der Welllenlänge des sichtbaren Lichts. Je höher die Temperatur, desto tiefer dringen die Sauerstoffatome in den Stahl ein und desto dicker wird die lichtdurchlässige Oxidschicht.
Setzt man diese Schicht dem weißen Tageslicht aus, so werden die auftreffenden Lichtwellen an der Oberseite und der Unterseite der Schicht reflektiert. Wenn sich die oben und unten reflektierten Wellen im Auge des Betrachters oder auf dem Chip der Kamera überlagern, sind sie i.A. außer Phase, weil sie unterschiedlich lange Wege zurückgelegt haben. Beträgt die Phasenverschiebung gerade eine halbe Wellenlänge einer bestimmten Spektralfarbe, so kommt es zur Auslöschung dieser Farbe und vom weißen Licht ist dann nur noch der Rest, also die Komplementärfarbe, zu sehen. Jedenfalls ist das von der oxidierten Schicht ausgehende Licht farbig. Man spricht von Interferenz- bzw. Strukturfarben. Denn sie werden nicht durch Pigmente hervorgerufen. Andere Mechanismen, die zu Strukturfarben führen, haben wir in früheren Beiträgen angesprochen (z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier).
Man kann davon ausgehen, dass die Eindringtiefe mit zunehmendem Abstand von der Flamme kontinuierlich abnimmt. Das äußert sich in einer systematischen Änderung der Farbe. Von innen nach außen betrachtet, also mit abnehmender Dicke der Oxidschicht, zeigen sich mehrere Übergänge von kleinerer zu größerer Wellenlänge des Lichts, konkret: von Blau über Grün nach Gelb und von dort über Orange nach Rot.

Das mehrfache Auftreten der Farbsequenzen hängt damit zusammen, dass die Phasenverschiebung zwischen den reflektierten Teilwellen, die zu einer Auslöschung einer bestimmten Wellenlänge des Lichts führt, nicht mehr nur bei der halben Wellenlänge, sondern auch bei 3/2, 5/2 der Wellenlänge usw. auftritt.
Umgekehrt betrachtet, geben die unterschiedlichen Farben Aufschluss über die Dicke der Schicht und damit über die Tiefe, bis zu der die Sauerstoffatome in den Stahl hinein diffundiert sind. Weil diese Tiefe von der Temperatur abhängt, der das Stahlgefäß ausgesetzt war, kann man an den Farben nachträglich Aufschluss über die Temperaturen gewinnen, die dort geherrscht haben müssen.

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