Die Farben einiger Schmetterlingsflügel - Interferenz als Farbpalette

Betrachtet man einen Schmetterlingsflügel unter einem Mikroskop, so erkennt man auf diesem zahllose regelmäßig angeordnete kleine Chitinschuppen, die zusätzlich Farbpigmente enthalten können, wie auf den folgenden beiden Fotos zu erkennen ist.

Abb.1

Schuppen auf dem Flügel eines Kohlweißlings bei 10facher Vergrößerung

Abb.2

Schuppen auf einem Schmetterlingsflügel bei 40facher Vergrößerung (mit Orangefilter)

Uns interessieren speziell diejenigen Schmetterlingsarten, die zusätzlich zu einer Pigmentierung (oder wie der blaue Morpho-Schmetterling sogar ausschließlich) Interferenzeffekte bei Ihrer Färbung ausnutzen. Diese entstehen an einer so genannten Christbaum-Unterstruktur der einzelnen Schuppen. Vergrößern wir eine einzelne Schuppe unter einem Lichtmikroskop um das Hundertfache, so werden auf dieser regelmäßige Rillenstrukturen sichtbar.

Abb.3

Einzelne Schuppen, 100fach vergrößert

Untersucht man eine einzelne Rille unter dem Raster-Elektronenmikroskop, so wird die erwähnte Christbaumstruktur sichtbar, wie in folgender Abbildung dargestellt.

Abb.4

Christbaumstruktur einer einzelnen Rille

Diese Christbaumstruktur wirkt wie ein Reflexions-Stufengitter mit einer festen Stufenhöhe $s$ . Diese beträgt bei einem Pfauenauge im blau erscheinenden Bereich seiner Flügel $s=\text{220 nm}$.

Abb.5

Interferenz am Stufengitter

Ein senkrecht auf eine der Stufen treffender Lichtstrahl wird an dieser reflektiert und interferiert mit den reflektierten Lichtstrahlen der eng benachbarten Stufen. Die optische Weglängendifferenz $\Delta$ zwischen zwei benachbarten Stufen (bei beiden tritt ein Phasensprung auf) beträgt dann einfach $\Delta =2s$.

Wir wollen nun verstehen, weshalb uns der betrachtete Flügelbereich bei einer Stufenhöhe von $s=\text{220 nm}$ blau erscheint.

Dazu betrachten wir stellvertretend drei Wellenlängen aus dem weißen Sonnenlichtspektrum: Rot (${\lambda }_{\text{rot}}=660\text{nm}$), Gelbgrün (${\lambda }_{\text{gelbgrün}}=587\text{nm}$) und Blau (${\lambda }_{\text{blau}}=440\text{nm}$).

• Für die rote Wellenlänge (${\lambda }_{\text{rot}}=660\text{nm}=\text{3s}$) sehen wir, dass die optische Weglängendifferenz $\Delta$ zweier direkt benachbarter Stufen gerade zwei Dritteln der Wellenlänge ($\Delta =\frac{2}{3}\cdot {\lambda }_{\text{rot}}$) entspricht. In einem Zeigerdiagramm entspräche das einem Phasenwinkel von $\Delta \varphi =\frac{2}{3}\cdot \pi$ zwischen den Strahlen zweier benachbarter Stufen. Also bilden die Zeiger der Strahlen dreier (!) benachbarter Stufen (in der Abbildung die Stufen 1-3) miteinander ein geschlossenes Dreieck, interferieren also destruktiv.
• Für die gelbgrüne Wellenlänge (${\lambda }_{\text{gelbgrün}}=587\text{nm}=\frac{8}{3}s$) sehen wir, dass die optische Weglängendifferenz $\Delta$ zweier direkt benachbarter Stufen gerade einer dreiviertel Wellenlänge entspricht. Die entsprechenden Zeiger weisen in einem Phasendiagramm einen Phasenwinkel von $\Delta \varphi =\frac{3}{4}\cdot \pi$ auf. Also bilden die Zeiger der Strahlen von vier (!) benachbarten Stufen (in der Abbildung die Stufen 1-4) miteinander ein geschlossenes Viereck, interferieren also ebenfalls destruktiv.
• Für die blaue Wellenlänge ${\lambda }_{\text{blau}}=440\text{nm}=\text{2s}$) sehen wir, dass die optische Weglängendifferenz $\Delta$ zweier direkt benachbarter Stufen gerade einer ganzen Wellenlänge entspricht ($\Delta ={\lambda }_{\text{blau}}$), weswegen für diese konstruktive Interferenz herrscht.

In anderen Bereichen des Schmetterlingsflügels tauchen entsprechend zur dort auftretenden Färbung andere Stufenhöhen $s$ auf. Zudem ist der Farbeindruck natürlich zusätzlich vom Betrachtungswinkel abhängig.

Der Schmetterling - eine bedrohte Tierart

Aufgrund fortschreitender Zerstörung ihrer Habitate (Wildwiesen, wucherndes Gestrüpp vs. Golfrasen und Betonwüste) gibt es bei uns in Deutschland zunehmend weniger Schmetterlinge. Viele Arten sind bereits vom Aussterben bedroht oder extrem selten geworden.

Wann haben Sie zum letzten Mal einen Schwalbenschwanz gesehen? Haben Sie überhaupt je einen zu Gesicht bekommen?

Abb.6

Ein Schwalbenschwanz