Wie entsteht ein Regenbogen?

Die Physik des Regenbogens

Die Entstehung von Regenbögen ist ein fantastisches physikalisches Phänomen, für das sich Wissenschaftler und Wissenschaftler*innen schon seit Jahrtausenden begeistern. Um alle eure großartigen Fragen zu beantworten, müssen wir uns etwas mit den Grundlagen von Licht und transparenten Materialien befassen.

Zuerst können wir in einem Experiment das weiße Licht, wie es auch von der Sonne bei uns ankommt, in alle seine Farben zerlegen. Dazu schicken wir einen Lichtstrahl durch ein Glasprisma. Wie ihr im Bild seht, wird das Licht beim Durchgang durch das Prisma an den beiden Flächen zwischen Glas und Luft abgelenkt: Das nennt man Lichtbrechung. In unserem Beispiel sehen wir, dass das blaue Licht am wenigsten abgelenkt wird, das grüne etwas mehr und das rote am meisten. Die verschiedenen Farben entsprechen unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts. Rote Farben haben lange, grüne mittlere und blaue kurze Wellenlängen. Das ist unsere erste Erkenntnis: Beim Übergang in ein transparentes Material sortiert sich also das weiße Licht nach seinen Wellenlängen/Farben. Wenn wir das Experiment durchführen, stellen wir fest, dass die Regenbogenfarben erst auftauchen, wenn wir ziemlich flach auf die Seite des Prismas leuchten. Wenn wir fast senkrecht auf die Seite leuchten, passiert fast nichts. Dazu gleich mehr, wenn es um die Brechung von Licht geht.

Bild: Frank Wahlert und Vorlesungsvorbereitung Physikalisches Institut

Wenn man dieses Experiment mit Sonnenlicht oder einer Gaslampe durchführt und sich die Farben ganz genau anschaut, stellt man fest, dass nicht alle Farben vorhanden sind. Forscher stellten bereits vor über 100 Jahren fest, dass in dem Regenbogenstreifen ganz schmale schwarze Linien auftauchen. Diese fehlenden Farben werden als Spektrallinien bezeichnet und stammen von den Atomen in der Sonne. Vor 100 Jahren konnten diese Linien mit Hilfe der Quantenphysik erklärt werden. Das nächste Bild zeigt ein Beispiel, das von Wilhelm Hittorf vor über 150 Jahren in Münster gemessen wurde. Die dunklen Linien sind typisch für Kohlenstoff.

© Royal Society of London

Vielleicht habt ihr schon von der Regel gehört, wie man einen Regenbogen finden kann: Wenn es regnet und die Sonne scheint, muss man in der entgegengesetzten Richtung von der Sonne suchen. Wie im Schaubild gezeigt, muss das Licht daher auf dem Weg von der Sonne in unser Auge vom Regen reflektiert worden sein.

Als zweites müssen wir also die Reflexion und Brechung von Licht verstehen. Leuchtet man mit einem Lichtstrahl schräg auf eine Glasfläche oder eine Wasseroberfläche, werden die Strahlen geknickt. Das bezeichnen wir als Lichtbrechung. Ihr könnte das Phänomen im Hallenbad oder bei einem Trinkhalm im Wasserglas beobachten.
Im Labor können wir genau beobachten, wie stark der Lichtstrahl gebrochen wird, wenn wir den Winkel zur Oberfläche ändern. Unsere erste Beobachtung ist, dass es zusätzlich zum gebrochenen Licht immer auch einen reflektierten Strahl gibt. Das behalten wir für später im Gedächtnis. Wie im Bild gezeigt, wird der Strahl immer stärker abgeknickt, wenn wir flacher auf die Oberfläche leuchten. Das sieht man besonders gut bei den Strahlen 3, 4 und 5. Ab einem Winkel von etwa 42° verschwindet der gebrochene Strahl und nur noch der reflektierte bleibt übrig. Im Bild ist das Strahl 6. Dieses Phänomen heißt Totalreflexion. Diesen Effekt gibt es nur, wenn wir von Glas oder Wasser zu Luft übergehen, aber nicht von Luft zu Glas oder Wasser.

Vielleicht habt ihr mitbekommen, dass das Internet heute fast überall durch Glasfasern bei euch zu Hause ankommt. Diese Glasfasern machen sich gerade die Totalreflexion zu Nutze, um Lichtsignale mit wenig Verlust zu übertragen. Wie man im Bild sieht, gibt es am Mantel der Glasfaser Totalreflexionen. Auch in der Quantentechnologie werden Glasfasern genutzt, um Quantensignale in Form von Photonen – das sind Lichtteilchen – von einer Stadt in eine andere zu übermitteln.

Wir fassen noch einmal Lichtbrechung und Farbaufspaltung zusammen: Bei senkrechtem Einfall des Lichts passiert nichts und weißes Licht bleibt weiß. Wenn der Lichteinfall sehr flach ist, findet eine starke Ablenkung statt und das weiße Licht spaltet sich in seine Farben auf. Zusätzlich kommt es zur Totalreflexion an der Grenze von Wasser zu Luft.

Nach dieser Vorarbeit können wir nun zu euren Fragen kommen:

Quelle aller gezeigten Graphiken: Daniel Wigger

Dr. Daniel Wigger

Fachbereich Physik

Weitere Fragen zum Regenbogen:

Warum sind die Regenbogenfarben rot, orange, gelb, grün, blau und lila?

Gibt es einen umgedrehten Regenbogen?

Warum gibt es immer nur einen Regenbogen (oder noch den Spiegelbogen) und nicht viel mehr Bögen zur gleichen Zeit?

Warum ist der Himmel unter dem Regenbogen immer heller als über dem Bogen?