es ist mir eine Ehre, hier das letzte Projekt von Michael Großmann (1970-2021) kurz vorzustellen, den Regenbogensimulator "Globodrom". Er wurde Ende 2018 aus ersten Ideen von ihm mit meiner Unterstützung und der eines Teams meiner (ehemaligen) SRH Hochschule Heidelberg sowie im Anwendungsbereich durch OStRin Helga Dickopf von der SRH Stephen-Hawking-Schule Neckargemünd entwickelt und von einem Freund Michas fast vollständig 3D-gedruckt. Das Projekt lief von November 2019 bis Juli 2021 und wurde von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft aus Mitteln der Wilhelm-und-Else-Heraeus-Stiftung im Rahmen des Programms "Physik für Schülerinnen und Schüler" gefördert.
Das folgende Bild zeigt den Aufbau zur Demonstration von Glasbögen im Weißlicht.
Der Strahlengang geht zunächst von rechts nach links, nämlich von einer Hochleistungs-Weißlicht-LED (aus ALDI-Taschenlampe!) über einen Kollimator (mit Alexander Haußmann entwickelt) durch eine Öffnung in der rechten weißen Kalotte (13 Stunden Druckdauer!) auf eine Glaskugel in deren Zentrum. Von da erfolgt dann die Rückstreuung der Glasbögen in die Kalotte.
Und hier sind sie: 1. und 2. Glasbogenordnung als Vollkreise! Wer sich über die von Alex' Versuchen mit Glaskügelchenschüttungen abweichenden Winkel wundert; diese haben mit dem nicht perfekt parallelen Weißlichtbündel und vor allem mit der endlichen Größe der 30mm-Glaskugel relativ zur Kalotte mit 165 mm Durchmesser zu tun. Wir sind aber im nachherein froh darüber gewesen, weil die 1. Ordnung bei 42 Grad zufällig ziemlich gut mit der des Hauptregenbogens übereinstimmt und die 2. Ordnung bei 73 Grad (richtig für Wasser wären 51 Grad) besser in die Kalotte paßt.
Um die annähernd korrekten Glasbogenwinkel zu erhalten, muß man mit einer 2mm-Glaskugel (links) - die gar nicht so leicht zu handhaben und zu haltern war
- und mit Beleuchtung von einer roten Laserdiode (rechts, Wellenlänge 635 nm) arbeiten.
Hier nun die Ergebnisse aus meinem Wohnzimmer. Es ist gelungen, vier Glasbogenordnungen nachzuweisen, die in Rückwärtstreuung in die Kalotte fallen. Zunächst die 1. Ordnung bei 23,5 Grad mit ihrer hellen Kaustikscheibe und feinen Interferenzbögen, am besten sichtbar auf der papierenen Winkelskala (alles um den Gegenpunkt der Lichtquelle, Rückstreung halt; Erstklässlern sagen wir, daß die Kalotte die Vergrößerung ihres hinteren Augapfels sei).
Hier von außen nach innen die 2. Ordnung (bei 91 Grad), ganz schwach bei 34 Grad ein Segment der 5. Ordnung(!!) und dann wieder die 1. mit Streuscheibe.
Hier nochmal die 5. Ordnung für sich
Für die beiden voranstehenden Fotos wurde die Glaskugel exzentrisch angeleuchtet, was sich im Gegenüberliegen der helleren Segmente der 2. und 5. Ordnungen zu dem der 1. Ordnung ausdrückt.
Wenn man das andersrum macht, erscheint mit der 1. Ordnung dann bei 69 Grad ein Segment der 4. Ordnung(!); mit dem Auge sah ich neben der sogar noch ein paar schwache Interferenzbögen.
Abschließend noch die Interferenzbögen der 2. Ordnung von nahem; sie fallen eher auf als die der 1. Ordnung, vor allem wegen der viel geringeren Flächenhelligkeit des Kaustikrings jenseits von 91 Grad im Vergleich mit der Kaustikscheibe des Glashauptbogens innerhalb von nur 23,5 Grad Radius, und wohl auch, weil sie weiter auseinander liegen.
Was ist eigentlich mit der 3. Ordnung? Nun, die liegt für Glas bei 12,9 Grad in Vorwärtsrichtung (um die Lichtquelle) und dürfte hoffnungslos im Zero Order Glow verschwinden, ich habe jedenfalls in der Gegenkalotte keine Ringsegmente gesehen. Die würden auch noch durch die dort vermehrten Laserspeckles an der Erkennung gehindert.
Die nominellen Winkel der ersten fünf Ordnungen für das Borosilikatglas N-BK7 mit einem n = 1,515 bei 635 nm betragen 21,5 - 89,5 - [3. Ordnung: s.o.] - 66,3 - 33,4 Grad (um den Gegenpunkt der Lichtquelle). Sie sind also allesamt um etwa 2 Grad kleiner als beobachtet. Herumspielen mit den Brechzahlen in der zweiten Nachkommastelle drückt sich in den Ordnungen nicht gleichlaufend aus, d.h. es gibt keine Brechzahl, die den gesehenen Winkelwertesatz für alle Ordnungen produziert.
Nun ist Globodrom keine Hochpräzisionsapparatur, d.h. die Winkel können justageabhängig schon um +/-1 Grad ungenau sein. Trotzdem scheinen die Abweichungen signifikant und unilateral. Das wäre dann als systematischer Fehler zu begründen: z.B. mangelnde Kugelform oder Zentrierung von Kalotte und/oder Streuer (Glaskugellinse).
Werden wir noch drüber nachdenken sowie versuchen, mit Grünlaser zu verbessern, wo wir noch mehr Ordnungen zu sehen hoffen.
Trotzdem: vier Glasbogenordnungen in Kugelgeometrie auf einen Streich sind doch auch nicht ganz ohne. Schade, daß Micha sie nicht mehr sehen konnte
Beste Grüße
Elmar
