Regenbogenlampe 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

Schwierigkeitsgrad: **   

Thema: Optik 

Kosten: ca. 20 € (ohne Taschenlampe) 

Bauzeit: ca. 7 h 

2  

Regenbogenlampe  

Einen Regenbogen am Himmel ist jedesmal aufs Neue ein beeindruckendes und bewegendes 

Naturschauspiel. Er entsteht aus dem Wechselspiel von Totalreflexion und Lichtbrechung.  

Da Regenbögen solch interessante Phänomene darstellen, werden wir uns in diesem Projekt einen 

Regenbogen ins Zimmer holen. Dazu bauen wir eine Lampe, die im Wesentlichen aus einer CD und 

einer Taschenlampe besteht.  

Aber anders als am Himmel wird dieser Regenbogen durch ein Beugungsmuster erzeugt. Wie das 

geschieht und was ein Beugungsmuster ist, wird weiter unten erklärt. 

 

Bauanleitung: 

Die Bauanleitung für die Regenbogenlampe besteht aus folgenden  Teilen:  

1. Die Bauanleitung mit den beiliegenden Bauplänen. 

2. Die zu der Bauanleitung gehörenden Bilder.  

 

Versuche: 

Die Abdeckhaube der Regenbogenlampe wird für die Versuche nicht benötigt. Stelle die Lampe am 

Besten auf einen Tisch, gegenüber einen freien Wand, an der du die Regenbogen beobachten kannst.  

 

1. Lege den halbierten CD‐Rohling so in die Lampe ein, dass er mit der abgeschnittenen 

Seite von der Taschenlampe weg zeigt.  

Schalte die Taschenlampe ein und drehe den Fokusring solange, bis das Licht an einem 

Punkt gebündelt wird. Setze die Taschenlampe in die Halterung ein und stelle einen 

Winkel von 90° ein, so dass die Taschenlampe senkrecht nach unten leuchtet. Schiebe 

dann die Lampe über die CD. Was kannst du beobachten?  

 

 

 

 

2. Drehe jetzt die CD um 90°, so dass die abgeschnittene Seite der CD parallel zur längeren 

Seite der Lampe liegt. Die Taschenlampe leuchtet dabei immer noch direkt von oben auf 

den Rohling. Richte die Lampenhalterung so aus, dass der Lichtkegel mittig auf der CD 

liegt. Was beobachtest du jetzt? 

 

3  

 

 

3. Lege die CD wieder so wie am Anfang hin, mit der abgeschnittenen Seite parallel zur 

kurzen Seite der Lampe. Leuchte wieder auf den Rohling von oben. Kippe nun die Lampe 

langsam. Damit der Lichtkegel auf der CD bleibt, musst du die Lampenhalterung 

gleichzeitig nach hinten bewegen. Was siehst du? 

 

 

 

4. Falls du eine zweite Taschenlampe besitzt, die eine LED als Lichtquelle nutzt, dann setze 

diese in die Halterung ein und leuchte damit im 90° Winkel auf die CD. Was fällt dir auf? 

Kannst du immer noch einen kompletten Regenbogen sehen? 

 

5. Falls du einen Laserpointer hast, kannst du ihn ebenfalls in die Halterung einsetzen und 

senkrecht auf die CD leuchten. Pass dabei auf, dass dir der Lichtstrahl nicht direkt ins 

Auge leuchtet. Was beobachtest du? Wie viele Streifen an der Wand kannst du zählen? 

 

   

4  

Erklärung: 

Das Erscheinen eines Regenbogens kann verschiedene Ursachen haben. Zum einen kann er durch  

das Zusammenspiel von Totalreflexion und Farbauffächerung in einem Regentropfen entstehen. Auf 

der anderen Seite kann er aber auch durch Wechselwirkung der Lichtwellen untereinander entstehen. 

Dies geschieht oft nach der Reflexion eines Lichtstrahles an einer mikroskopisch strukturierten 

Oberfläche wie zum Beispiel einer CD. 

 

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Eine Eigenschaft einer solchen Welle ist die 

Wellenlänge. Sie entspricht der Entfernung zwischen zwei Wellenbergen und wird mit dem 

griechischen Buchstaben  (lambda) bezeichnet.  

 

 

 

Die verschiedenen Farben entsprechen unterschiedlichen Wellenlängen. Rotes Licht besitzt dabei 

eine größere Wellenlänge als grünes oder gar blaues Licht. Eine noch kürzere Wellenlänge weist 

ultraviolettes Licht auf. Dieses können wir mit unseren Augen nicht mehr sehen. Aber wenn du im 

Sommer einen Sonnenbrand bekommst, dann liegt das an diesem unsichtbaren, kurzwelligen Licht. 

 

5  

Sogenanntes weißes Licht – das ist zum Beispiel Sonnenlicht oder das Licht einer hellen Glühlampe – 

besteht aus einem Gemisch aller sichtbaren Wellenlängen, also aller Farben. Leuchtet man mit drei 

mit Filterfolien versehenen Taschenlampen in den Farben rot, grün und blau auf einen Punkt, 

addieren sich die Farben zu weiß. Dies nennt man additive Farbmischung.   

 

1. Entstehung eines Regenbogens durch Totalreflexion und Lichtbrechung. 

Fällt Licht schräg in ein durchsichtiges Material ein, wird es von seiner ursprünglichen Richtung 

abgelenkt. Diesen Vorgang nennt man Lichtbrechung, weil der Lichtstrahl nicht geradeaus 

weiterläuft, sondern „abgebrochen“ wird.  

Nun verhält es sich aber so, dass Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge auch 

unterschiedlich stark abgelenkt werden. Was ist dann die Folge? 

 

Da die verschiedenen Wellenlängen verschiedene Farben repräsentieren, wird das einfallende weiße 

Licht in seine Farben aufgefächert. Diese Auffächerung der Farben nennt man Dispersion. Dieser 

Vorgang lässt sich experimentell mit einem Glasprisma zeigen. Im Bild sieht man einen weißen 

Lichtstrahl, der beim Übergang ins Glas und beim Austritt gebrochen wird. Durch die Dispersion wird 

das Licht in seine Farben aufgefächert – ein Regenbogen entsteht. 

 

 

 

Eine andere Eigenschaft der Lichtbrechung ist die Totalreflexion.  Sie kann auftreten, wenn Licht aus 

einem „optisch dichteren“ Medium in ein „optisch dünneres“ Medium fällt. Dies ist beispielsweise 

der Fall, wenn man mit einer wasserdichten Taschenlampe unter Wasser leuchtet und der Lichtstrahl 

die Wasseroberfläche durchbricht. Das Wasser ist dabei „optisch dichter“ als die Luft. 

 

Ist der Austrittswinkel sehr groß, kann das Licht nicht mehr aus dem Wasser treten, sondern wird 

verlustfrei wieder zurück nach unten gespiegelt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Totalreflexion. 

Taucht man in einem Schwimmbecken auf den Grund und sieht dann nach oben, erkennt man den 

Himmel über sich. Schaut man dagegen nach vorne oder zur Seite, kommt irgendwann der Punkt, ab 

dem man wieder den Boden des Beckens sieht. Ab diesem Grenzwinkel entsteht die Totalreflexion. 

Auf dem nächsten Bild sieht man einen Laserstrahl, der an der Wasseroberfläche des Beckens 

reflektiert wird. 

6  

 

 

Damit ein Regenbogen sichtbar wird, muss der Beobachter eine Regenwand vor sich und die Sonne 

im Rücken haben. Das Sonnenlicht fällt auf die Millionen an Tropfen in der Regenwand. Das weiße 

Licht wird beim Eintreten in jeden Tropfen gebrochen. Aufgrund der Dispersion fächert das Licht in 

die Regenbogenfarben auf. Dann durchläuft das Licht den Tropfen und wird an dessen Rückwand 

totalreflektiert. Anschließend läuft das Licht wieder zurück durch den Tropfen und wird beim Austritt 

erneut gebrochen. Das vorher weiße Licht kommt als Regenbogenfarben aufgefächert auf den 

Beobachter zu und er sieht einen Regenbogen. 

 

 

 

Nur bestimmte Lichtstrahlen stehen für eine Totalreflexion im richtigen Winkel zwischen Sonne und 

Beobachter. Alle anderen Strahlen werden in andere Richtungen reflektiert oder laufen durch den 

Tropfen. So entsteht die Bogenform des Regenbogens. Schaut man von oben auf eine Regenwolke – 

7  

zum Beispiel aus einem Flugzeug oder von einem Berg, kann man einen geschlossenen Kreis als 

Regenbogen erkennen. 

 

2. Entstehung eines Regenbogens durch Beugung 

Außer der Wellenlänge besitzen Wellen noch weitere Eigenschaften. Treffen zum Beispiel zwei 

Wellen aufeinander, können sie sich überlagern und ein neues Wellenmuster entsteht. Diesen 

Vorgang bezeichnet man als Interferenz.  

Lässt man zwei Steine nebeneinander ins Wasser fallen, kann man die entstehenden Überlagerungen 

der Wellen gut beobachten. Diese Überlagerungen nennt man Interferenzmuster. 

In der oberen Abbildung kann man ein Wellenmuster erkennen, das entsteht, wenn man in 

gleichmäßigen Abständen hintereinander mit dem Finger ins Wasser tippt. Das Muster darunter kann 

man erzeugen, wenn man an zwei Punkten jeweils einen Finger gleichmäßig ins Wasser taucht. 

 

 

 

Trifft eine Wasserwelle auf ein aus dem Wasser ragendes Objekt und ist das Objekt ungefähr so groß 

wie die Wellenlänge, dann entstehen an dessen Rändern wieder neue Wellen, die man 

Elementarwellen nennt. Deren Wellenzentren erzeugen wieder ein Interferenzmuster.  

 

Ist das Objekt viel kleiner als die Wellenlänge, „bemerkt“ die Welle das Objekt nicht und läuft daran 

unverändert vorbei. Ist es viel größer, dann wirkt das Objekt einfach wie eine Spiegelfläche und 

reflektiert die Wasserwelle zurück. Diesen letzten Umstand kann man ebenfalls im Schwimmbad 

beobachten, indem man mit den Handflächen in der Nähe des Beckenrandes ein regelmäßiges 

Wellenmuster erzeugt. Sobald es den Beckenrand erreicht, wird es an diesem zurückreflektiert. 

 

Aufgrund der Interferenz können sich zwei Wellen gegenseitig verstärken oder gegenseitig völlig 

auslöschen, je nachdem ob die Wellen gleich oder gegengleich schwingen. Verstärken sich die Wellen 

spricht man von konstruktiver Interferenz, löschen sie sich dagegen aus, nennt man dies destruktive 

Interferenz. Die beiden Fälle sind in der folgenden Abbildung illustriert. 

8  

 

 

 

Aber zurück zu den Lichtwellen, der Regenbogenlampe und ihrem Kernstück der CD.  

Eine CD besteht im Wesentlichen aus einer ungefähr 1 mm dicken, durchsichtigen Kunststoffschicht. 

Darunter ist eine extrem dünne reflektierende Schicht aufgebracht und wiederum darunter eine 

dünne Schutzschicht auf der auch die Beschriftung aufgedruckt ist. 

 

 

 

Im Inneren der CD ist zwischen Schutzschicht und reflektierender Schicht eine Spirale eingepresst, die 

sich von innen nach außen schraubt. Auf dieser werden beim Brennen die Strukturen aufgebracht, 

die die Daten repräsentieren.  

Im Bild oben ist der schematische Querschnitt einer CD gezeigt. Die Erhebungen der Spirale sind 

dabei übertrieben höher dargestellt. In Wirklichkeit betragen sie nur 0,2 m.  

Das ist sehr wenig; ein menschliches Kopfhaar ist schon mehr als 300mal dicker. Die Kunststoffschicht 

über den Spiralärmchen ist sogar ca. 8000mal dicker. Der Abstand der Spiralarme beträgt 1,6 m, 

also etwas mehr als ein tausendstel Millimeter. Weil sie so kleine Ausmaße haben, kann man sie mit 

bloßem Auge auch nicht sehen. In mikroskopischer Vergrößerung lassen sich die Spiralarme dagegen 

deutlich erkennen.  

 

 

9  

 

 

Das Bild zeigt den stark vergrößerten Ausschnitt einer DVD  mit der Aufzeichnung des Super Bowls 

2005 beim Sieg der New England Patriots über die Philadelphia Eagles. Die Punkte, die wie 

Schmutzpartikel aussehen, sind die aufgeprägten Informationseinheiten, die der Laser abtastet. 

 

Die Erhebung und der Abstand der Spiralarme liegen in derselben Größenordnung wie die 

Wellenlängen für sichtbares Licht, das in einem Bereich von 0,4 bis 0,7 m liegt. Die Spiralarme und 

das Licht können deshalb miteinander wechselwirken und dadurch Interferenzen auslösen. 

 

Leuchtet man nun mit einer Taschenlampe schräg auf die CD, wird das meiste Licht zunächst dem 

Reflexionsgesetz entsprechend im gleichen Winkel wie der Einfallswinkel reflektiert. Man sieht den 

reflektierten weißen Lichtfleck der Taschenlampe an der Wand.  

 

Ober‐ und unterhalb des weißen Flecks erscheint dagegen ein Regenbogen. Diesen sieht man 

übrigens auch, wenn man direkt von oben auf die CD leuchtet, obwohl laut Reflexionsgesetz das 

gesamte Licht wieder in Richtung der Taschenlampe geworfen werden sollte.  

Da man anhand des Reflexionsgesetzes Wellenphänomene aber nicht erklären kann, lässt er sich 

durch das Reflexionsgesetz auch nicht vorhersagen. Dieses Gesetz gilt nur im Bereich der 

geradlinigen Lichtausbreitung, der sogenannten Strahlenoptik.  

 

Die Ursache für die Regenbogenfarben liegt in der Struktur der CD, da die Erhebungen der Spirale 

und ihr Rillenabstand in derselben Größenordnung wie die Lichtwellenlängen liegen.  

Die Entstehung der Farben läuft dabei folgendermaßen ab: 

 

   

10  

1. Das Lichtwellengemisch des weißen Lichtes fällt auf die Erhebungen. In der Abbildung ist dies 

durch die verschiedenfarbigen Wellenzüge mit ihren unterschiedlichen Wellenlängen 

dargestellt. Die Erhebungen der Spiralarme sind in der Seitenansicht gezeigt. 

 

 

 

2. An der Oberfläche der Erhebungen entstehen neue Elementarwellen. 

3. Die Elementarwellen benachbarter Erhebungen überlappen sich und erzeugen ein 

Interferenzmuster. Im Bild ist dies für die roten Anteile des Lichts gezeigt. Im Falle des 

dargestellten Winkels interferieren die Wellen konstruktiv. 

 

 

 

4. Dieses Interferenzmuster besitzt die Eigenschaft, dass je nach Betrachtungswinkel nur eine 

bestimmte Wellenlänge und daher auch nur eine bestimmte Farbe konstruktiv interferiert. 

Die Farben gehen ineinander über, wenn man einen ganzen Winkelbereich betrachtet. Dies 

entspricht der Ausdehnung des Regenbogens an der Wand.  

Im nächsten Bild erkennt man, dass die grünen Wellenzüge in einem anderen Winkel als die 

roten konstruktiv interferieren. 

 

11  

 

 

Leuchtet man senkrecht auf die CD, entstehen links und rechts jeweils zwei Regenbögen. Diese 

repräsentieren die beiden Winkelbereiche, bei denen konstruktive Interferenz auftritt. 

Beleuchtet man die CD dagegen mit einem Laserpointer, der nur Licht einer ganz bestimmten 

Wellenlänge aussendet, entsteht ein Interferenzmuster, das nicht aus einem Winkelbereich besteht, 

sondern lediglich aus einzelnen Lichtpunkten für die die Interferenz gerade konstruktiv ist.  

 

Dies erklärt auch, warum der Regenbogen je nach Beleuchtungsbereich auf der CD an 

unterschiedlichen Stellen erscheint. Liegt der Rohling zum Beispiel vor einem auf dem Tisch und 

leuchtet man auf den vorderen beziehungsweise hinteren Bereich senkrecht von oben, entsteht ein 

Regenbogen in Blickrichtung. Leuchtet man dagegen auf einen Bereich links oder rechts, entsteht 

auch der Regenbogen links oder rechts.  

Die Orientierung der Rillen bewirkt die Drehung des Regenbogens, denn die Rillen im Bereiche vorne 

und hinten liegen senkrecht zu den Rillen links und rechts.  

 

Ähnliche farbenaufspaltende Interferenzeffekte in der Natur findet man neben den irisierenden 

Farben der Schmetterlingsflügel auch im Schillern von Öllachen auf Wasser und bei Seifenblasen. 

   

12  

 

 

Links:  

Regenbogen 

Weitere Erklärungen und zum Thema Regenbogen. Dort gibt es auch einen Link auf eine Seite der Uni 

Erlangen mit einem Applet zu den Lichtstrahlen im Tropfen: 

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/  Bei G9:Klasse 9Farben Ausblicke:Regenbogen  Re genbogen 

 

Eine Bildersammlung von Regenbögen: 

http://www.wetter-foto.de/fotos-23-1-1-Regenbogen.html

 

Interferenzerscheinungen 

Applets zu Interferenzerscheinungen gibt es hier: 

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/  Bei G9: Klasse 12/13 Wellenoptik 

http://www.pk-applets.de/phy/wwanne2/wellenwanne2.html