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Mie-Streuung

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Rätselfoto des Monats März 2018

Wie kommt es zu den „farbigen Strahlen“?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2018
Frage: Blick auf den inneren Boden eines Kochtopfes. Wie kommt es zu den Farb- und Ringstrukturen?

Antwort: Die Farbmuster auf dem Topfboden werden von einer sehr dünnen Oxidationsschicht hervorgerufen. Sie entsteht durch die Einwirkung von Hitze, wodurch Sauerstoffatome ein wenig in den Stahlboden des Topfes hineindiffundieren. Die Schichtdicke entspricht größenordnungsmäßig der Wellenlängen des sichtbaren Lichts, ist also sehr dünn. Das Licht wird an der Oberseite teilweise reflektiert und teilweise in die Schicht hinein gebrochen, wo es an der Unterseite der Schicht abermals reflektiert wird usw. Kommt es zur Überlagerung der so entstehenden Teilwellen im Auge des Betrachters oder auf dem Chip der Kamera, so unterscheiden sie sich u.a. aufgrund des unterschiedlichen Weges, den beide zurückgelegt haben in der Phase. Das führt zu Auslöschungen oder Verstärkungen bestimmter Farben des weißen Lichts, deren Wellenlänge einem halbzahligen oder ganzzahligen Vielfachen der Schichtdicke entspricht.
Aufgrund der unterschiedlichen Einwirkung der Wärme infolge der unterschiedlichen Lebensmittel, die mit dem Topfboden in Wechselwirkung treten, entstehen auch unterschiedliche farbige Flächenabschnitte (Genaueres findet man hier).
Auffallend sind weiterhin die quasikonzentrischen Ringe auf dem Topfboden. Auf den ersten Blick scheint es sich um herstellungsbedingte Riefen zu handeln, an deren Flanken das Licht reflektiert wird. Dagegen spricht aber, dass sich das Ringsystem verschiebt, wenn man die Orientierung des Topfbodens zur Lichtquelle verändert: Das Ringsystem läuft gewissermaßen mit der Lichtquelle mit. Die Ursache sind vielmehr riefenartige, statistisch verteilte Gebrauchsspuren auf dem Topfboden, von denen nur die Abschnitte sichtbar werden, die dem Reflexionsgesetz entsprechend Licht ins Auge reflektieren (ausführlicher:hier).

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