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Vier Versuchseinheiten zur experimentellen Untersuchung des Phänomens Streuung

Versuch 1a:

Ein Becherglas wird mit Wasser gefüllt und mit einigen Tropfen Tinte versetzt. Kippt man nun aus dem Becherglas diese Mischung in ein Reagenzglas, ergeben sich bei durchscheinendem Licht verschiedene Erscheinungsbilder. Im Reagenzglas ist die Mischung nahezu durchsichtig, im breiten Becherglas erscheint sie bläulich.

Frage: Könnte die Ursache des Himmelsblau also blaue Luft sein (Ozon usw.)?

Versuch 1b:

Nun wird das Becherglas von einer Lampe durchleuchtet. Bei der Durchsicht bemerken wir, dass das Lampenlicht hinter dem blau gefärbten Wasser auch blau erscheint. Die Abendsonne ist jedoch rot! Die blauen Strahlen werden weggebrochen, während die roten Strahlen fast ungebrochen durch die Atmosphäre hindurch gehen.

Hat dieser Effekt also eine andere Ursache? Könnte die Luftfeuchtigkeit Grund dafür sein? Wie lässt sich das Verhalten des Lichts erklären?

Vermutung: Ist vielleicht die Brechung des Lichts abhängig von der Wellenlänge an Wassertröpfchen und verhält sich ähnlich wie beim Prisma und beim Regenbogen?

Versuch 2a:

Man schaut in den Himmel und sucht den Bereich, an dem das Himmelsblau am tiefsten (intensivsten) ist. Man findet ihn etwa unter einem Winkel von 90° zu den einfallenden Sonnenstrahlen.

Versuch 2b:

Nun betrachtet man die Bereiche, an denen das Himmelsblau am tiefsten ist, durch einen Polarisationsfilter. Zu bemerken ist, dass beim Drehen des Filters die Helligkeit des betrachteten Himmelsbereichs abnimmt. Blickt man durch den Polarisationsfilter in Richtung der Sonne, so ändert sich deren Helligkeit beim Drehen des Filters praktisch nicht. Das Himmelsblau ist also linear polarisiert. Diese Effekte können weder mit dem Brechungs- noch mit dem Reflexionsgesetz erklärt werden. Es müssen also andere Erklärungsversuche unternommen werden.

Welche Phänomene unserer Umwelt zeigen ein widersprüchliches Farbverhalten? Zum Beispiel ist Blut rot, aber in den Adern erscheint es blau. Milch ist weiß, aber Magermilch wirkt bläulich. Der Rauch einer Zigarette oder von getrocknetem Laub wirkt bei Betrachtung vor einem dunklen Hintergrund (seitlich zur Einfallsrichtung des Lichts) blau und bei Betrachtung vor einem hellen Hintergrund gelblich (Versuch!).

Versuch 3a:

Ein Plexiglaskasten mit Magermilch (Wasser mit wenigen Tropfen Milch) wird von einer Lampe durchleuchtet. Der Lichtkegel wirkt von der Seite aus betrachtet blau, wie der Himmel. In Richtung der Lichtquelle betrachtet erscheint er gelb-rot, wie die aufgehende bzw. untergehende Sonne.

Versuch 3b:

Nun beobachten wir das Blau der Milch durch einen Polarisationsfilter und bemerken, dass sich die Helligkeit auch hier beim Drehen des Filters verändert. Blickt man jedoch in Richtung der Lampe, so ist quasi keine Helligkeitsänderung bemerkbar. Auch das Blau der Magermilch ist linear polarisiert.
Unsere Beobachtungen des Versuchs stimmen mit dem "Verhalten der Himmelsfarben" überein.
An dieser Stelle ist es nun notwendig, den Begriff Streuung für eine "neue Verhaltensweise des Lichts an Grenzflächen" einzuführen und deren Eigenschaften zu studieren.
Da in einem mit Wasser gefüllten Plexiglaskasten der Effekt aus Versuch 3 nicht beobachtbar ist (Versuch!), muss die Streuung also etwas mit den Milchteilchen (den suspendierten Fettmolekülen) und vielleicht sogar mit deren Anzahl oder Anordnung zu tun haben.

Versuch 4:

Im Aufbau von Versuch 3 erhöhen wir die Zahl der "Milchteilchen", indem wir noch einige Tropfen Milch hinzufügen. Man beobachtet, dass der blaue Bereich bei Betrachtung von der Seite kürzer ist und ins Gelbliche übergeht. Die auf den Schirm fallende "Sonne" wird eher rot. Die Intensität der Streuung nimmt mit zunehmender Teilchendichte zu.

Frage: Warum wird das Licht an den Wasserteilchen nicht im gleichen Maß gestreut?

Wäre die Teilchendichte die einzig ausschlaggebende Größe, müssten wir Wasser tiefrot oder sogar schwarz sehen (die Teilchendichte der Wassermoleküle ist weit größer als die der Milchteilchen in der Wasserlösung). Der beobachtete Effekt muss also mit der Größe der Teilchen zusammenhängen, und zwar je kleiner die Teilchen, desto intensiver die Streuung! Die Wasserteilchen scheinen bereits zu groß und anders angeordnet als die Milchteilchen zu sein, so dass dieser Effekt nicht beobachtet werden kann.