Lego, gemixt mit Licht
eopold Klug (13) vom Max-Planck-Gymnasium klärt im Photonlab die Frage, ob ein Interferometer oder ein Spektrometer bestimmte Proben genauer misst. Hier berichtet er, was er vorhat.
Der Mix aus Optik und Lasertechnik faszinieren mich. Das hat angefangen als ich die Ausstellungen „Der Geheimcode der Sterne – 200 Jahre Fraunhoferlinien“ im Deutschen Museum und die Ausstellung „Laser | Licht | Leben“ im Planetarium der Europäischen Südsternwarte in Garching besucht habe.
Ich bin im Internet auf die Suche gegangen und auf eine Bauanleitung gestoßen, mit deren Hilfe man aus Legosteinen ein Interferometer nach Albert Abraham Michelson bauen kann. Im Prinzip teilt ein Interferometer eine Lichtwelle in zwei Teile auf. Diese zwei Wellen durchlaufen dann unterschiedlich lange Strecken, deren Laufzeit deshalb unterschiedlich ist. Es ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen. Beim Aufeinandertreffen kommt es zur Interferenz. Mit einem Interferometer wollten die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley 1887 die Geschwindigkeit der Erde durch den Äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dabei fanden sie heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem gleich groß ist und zeigten damit, dass es keinen Äther gibt.
Mein Projekt im Rahmen des Wettbewerbs „Schüler experimentieren“ beschäftigt sich nun mit dem Vergleich der optischen Messgenauigkeit zwischen Spektrometer und Interferometer zur Bestimmung der Wellenlänge. Nach einiger Zeit des Experimentierens mit meinem Lego-Interferometer kam die Frage auf, für was man das optische Messgerät außerdem sinnvoll einsetzen kann.
Joseph von Fraunhofer hatte schon im 19. Jahrhundert sehr gute optische Instrumente gebaut und konnte den Brechungsindex mit Hilfe der von ihm gefundenen Absorptionslinien im Sonnenspektrum mit Hilfe von Spektrometern genau berechnen. Durch den Vergleich eines klassischen Spektrometers (so wie es schon Fraunhofer verwendet hat) und meinem selbstgebauten Interferometer möchte ich jetzt die Genauigkeit beider optischen Messverfahren miteinander vergleichen. Die Bestimmung des Brechungsindex ist in der Optik sehr wichtig. Nur so konnte Fraunhofer hochwertige Linsensysteme für optische Geräte bauen. Der Brechungsindex wurde daher von mir für einen Vergleich und somit für mein „Schüler experimentieren“ Projekt gewählt.
Jetzt werde ich zur Bestimmung des Brechungsindex von festen und flüssigen transparenten Körpern verschiedene Proben in den Strahlengang des Interferometers einbringen. Diese Probekörper verursachen dann einen Laufzeitunterschied des Lichts. Den kann ich dann mit Hilfe eines Interferenzmusters am Ausgang des Interferometers messen und anschließend den Brechungsindex bestimmen. Beim klassischen Spektrometer wird durch Lichtbrechung am Probekörper durch den gemessenen Einfalls- und Ausfallswinkel mit Hilfe des Brechungsgesetzes nach Snellius sowie der sog. Minimalwinkelablenkung der Brechungsindex bestimmt.
Mit Hilfe der Experimente möchte ich klären welches der beiden optischen Messverfahren genauer ist bei der Bestimmung des Brechungsindex und ob sich das interferometrische oder das spektrometrische Verfahren besonders gut für bestimmte Stoffe eignet. Dazu interessiert mich die Frage, wie man Messungenauigkeiten möglichst klein halten kann.
In der nächsten Zeit werde ich dazu auch noch im Schülerlabor PhotonLab experimentieren. Ich bin sehr gespannt was dabei herauskommt.