Seifenblasen faszinieren und beeindrucken mit ihrer flüchtigen Schönheit und ihrem ständig wechselnden Farbspiel. Experimentieren Sie also mit Seifenblasen und kommen Sie dabei den Farben der Seifenblase auf die Spur.
So entstehen die Farbmuster
Gleich vorweg: Bei den irisierenden Farben der Seifenblasen handelt es sich nicht – wie man zunächst annehmen könnte – um eine Zerlegung des weißen Sonnenlichts durch Lichtbrechung, so wie Sie das vom Regenbogen und vielleicht aus Experimenten mit kleinen Glasprismen kennen. Schade eigentlich, denn diese Erklärung wäre einfach gewesen! Es gibt jedoch noch eine weitere Möglichkeit, den Farben des Lichts auf die Spur zu kommen, bei der die Wellennatur des Lichtes eine wichtige Rolle spielt.
Licht hat Welleneigenschaften
In den meisten Fällen wird Licht mit Strahlen in Verbindung gebracht, eine Vereinfachung, mit der man den Lichtweg bei Schattenbildung, Reflexion am Spiegel und bei der Lichtbrechung in Wasser und Linsen gut erklären kann. Licht ist jedoch auch eine Wellenerscheinung. Es breitet sich im Raum aus wie Wasserwellen auf einem Teich.
Allerdings ist die Wellenlänge des Lichts – das ist der Abstand von Wellenberg zu Wellenberg – so winzig, dass man die Wellenbewegung des Lichtes nicht direkt, so wie bei Wasser, beobachten kann. Sie verrät sich nur indirekt durch die Farbe: Das weiße Licht der Sonne oder einer Glühlampe ist eine Mischung aus vielen verschiedenen Wellenlängen, die von vom Auge als Farben wahrgenommen werden. Rotes Licht hat beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 700 nm, blaues Licht von etwa 450 nm, grün liegt mit 500 nm irgendwo dazwischen. Die Abkürzung „nm“ steht für Nanometer und bedeutet 1 Milliardstel Meter, eine wirklich winzig kleiner Wert.
Kleiner Exkurs: Seit Max Planck und Albert Einstein weiß man, dass Licht sich manchmal auch wie ein Teilchen verhält, Lichtquant oder Photon genannt, besonders wenn es mit den Teilchen der Materie, also den Atomen und Molekülen, in Berührung kommt. Aber um diesen Aspekt müssen Sie sich bei den Seifenblasen nicht kümmern.
Interferenz – so funktioniert es
Wellen haben die Eigenschaft, sich durch Überlagerung gegenseitig zu beeinflussen, das Phänomen wird Interferenz genannt. Treffen beispielsweise zwei Wellen gleicher Wellenlänge aufeinander, so können sie sich verstärken, abschwächen, aber auch ganz auslöschen. Diese Eigenschaft kann auch bei Wasserwellen auf einem See beobachten. Trifft Wellenberg auf Wellenberg, tritt maximale Verstärkung ein (konstruktive Interferenz). Trifft jedoch Wellenberg auf Wellental, kann sich die Welle – bei gleicher Amplitude – auslöschen (destruktive Interferenz).
Beim Schillern von Seifenblasen offenbart sich dieser Wellencharakter des Lichts. Einzige Bedingung: Die Seifenblase muss außerordentlich dünn sein! Ein Teil der Lichtwellen, die die Seifenhaut treffen, wird an ihrer Vorderseite reflektiert. Die restlichen Lichtwellen gelangen in die Seifenhaut hinein und werden dann an der hinteren Fläche der dünnen Haut reflektiert. Natürlich werden auch etliche Lichtwellen (es sind sogar sehr viele, sonst wäre die Seifenblase nicht so „luftig“ und fast durchsichtig) die Seifenhaut durchdringen. Diese tragen aber nichts zur Farberscheinung bei.
Die vorne und hinten an der Seifenhaut reflektierten Lichtwellen überlagern sich nun. Sie haben jedoch ein klein wenig unterschiedliche Wege zurückgelegt. Je nach Wegunterschied der Wellen kommt es zur Auslöschung bestimmter Wellenlängen, also „Farben“. Wird an einer bestimmten Stelle der Seifenblase gerade „die rote Welle“ ausgelöscht, so sehen Sie dort den Rest des aufgetroffenen weißen Lichtes, also einen blauen Farbton. Bei passender Dicke der Seifenhaut wird aber vielleicht gerade „die blaue Welle“ ausgelöscht, dann sehen Sie wiederum den Rest, nämlich rot. Und bei fehlendem Grün nehmen Sie Orange war. Der Beobachter sieht also nicht wie beim Regenbogen das direkte Farbspektrum des Sonnenlichtes, sondern den nicht ausgelöschten, reflektierten Rest.
Bedingung: Dünne Seifenhaut
Spätestens hier wird klar, warum die Seifenhaut so dünn sein muss. Tatsächlich muss ihre Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegen. Bei zunehmender Dicke der Haut werden nämlich gar keine Lichtwellen ausgelöscht, die Blase wird heller und schließlich weiß. Und da eine Seifenblase keine gleichmäßige Dicke aufweist, ergeben sich die faszinierenden Farbmuster der Blase. Das Farbmuster wechselt zudem ständig, weil die Oberfläche in Bewegung ist: Die Seifenblase schillert. Die Farben sind also nicht nur ein natürlicher Beweis für den Wellencharakter des Lichts, sondern geben auch das Dickeprofil der Seifenhaut wider.
Interferenz an dünnen Schichten – auch im Alltag
Für die Farbspiele an dünnen Schichten gibt es auch im Alltag zahllose Beispiele: Benzin- und Ölflecken auf Pfützen oder Eis schillern ebenfalls in allen Farben des Spektrums. Einige Schmetterlinge sowie die Pfauenfedern erhalten ihre herrlichen Farben durch die Überlagerung von Lichtwellen. Auch das farbige Schillern des Perlmutts im Muschelinneren ist ein Beispiel für die Lichtinterferenz an dünnen Schichten, aus denen das Perlmutt aufgebaut ist. Selbst CDs, oxidierte Kupferplatten und speziell beschichtetes Geschenkpapier erhalten ihre Farbenpracht dank Interferenz.
Das „bittere“ Ende einer Seifenblase
Seifenblasen bestehen größtenteils aus Wasser und sind sehr dünn. Sie platzen, weil sich die Flüssigkeit im unteren Teil sammelt und zudem ein Teil der Flüssigkeit schlichtweg verdunstet. Mit etwas Geschick kann man feststellen, wann es soweit ist. Denn plötzlich wird eine Stelle der Seifenblase, meist im oberen Teil, schwarz und die Haut platzt dort auf. Zunächst bilden sich kleinste dunkle Flecken auf der Blase, sie sind kaum wahrzunehmen. Durch die ständigen Oberflächenbewegungen verschwinden sie wieder, manchmal entstehen aber auch schnell größere Bereiche. Dort reißt dann die hauchdünne Haut auf. An den schwarzen Stellen ist die Schicht nämlich so dünn geworden, dass für sichtbares Licht nur noch Wellenauslöschung möglich ist. Die Dicke beträgt dann nur noch knapp 100 nm.