PhoTOP

Spielen mit phosphoreszierenden Spiralmustern – das funktioniert dank eines ganz besonderen Kreisels, dem PhoTOP. Beim PhoTOP handelt es sich um eine Kreiselscheibe mit zwölf Zentimetern Durchmesser, auf die eine phosphoreszierende Farbe aufgebracht ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kreiselscheibe befindet sich die Gebrauchsanweisung. Zum Lieferumfang gehört zudem ein 405 Nanometer-Laserpointer. Diese Wellenlänge liegt im nahen Ultraviolett (UV)-Bereich bzw. im Tiefvioletten. Spaß macht es jedoch auch, mit anderen Lichtquellen zu experimentieren, sogar mit einem Smartphone-Licht.

Wie funktioniert das PhoTOP?

Dreht man den Kreisel und hält den Laserpointer auf die Kreiselscheibe, entstehen grün-leuchtende Spiralmustern sowie Lissajous-Figuren. Sie sind mehrere Minuten nach dem Ausschalten des Laserpointers sichtbar. Was Lissajous-Figuren sind, wird weiter unten erklärt.

Wer hat das PhoTOP erfunden?

Der Erfinder des PhoTOP ist Kenneth Brecher, emeritierter Professor für Astronomie und Physik an der Boston University. Wie er selbst schreibt, entstand das PhoTOP aus seinem langjährigen Interesse für kreiselnde Objekte, für Kunst, Mathematik und visueller Wahrnehmung. Bereits in den 1970er-Jahren befasste er sich intensiv mit der Dynamik rotierender und präzedierender Neutronensterne. Separat entwickelte er zwischen 2000 und 2015 eine Reihe von Hands-on Bildungsmaterialien und Software zu den Themen Licht, Optik, Farbe und visueller Wahrnehmung. Ab 2015 begann er physikalisches Spielzeug zu entwickeln, die kreiseln wie eben das PhoTOP sowie das PhiTOP.

Was versteht man unter Phosphoreszenz?

Phosphoreszenz tritt auf, wenn ein Material durch Licht zum Leuchten angeregt wird. Typischerweise handelt es sich um ultraviolette oder sichtbare Strahlung. Dieses Licht enthält ausreichend Energie, um Elektronen in den angeregten Zustand zu versetzen. In diesem Zustand befinden sich die Elektronen auf einem höheren Energieniveau als in ihrem Grundzustand. Diese angeregten Elektronen können sich jedoch nicht sofort wieder auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurückbewegen.

Stattdessen verbleiben die Elektronen für eine gewisse Zeit auf dem angeregten Niveau, bevor sie schließlich in den Grundzustand zurückkehren. Während dieses Prozesses geben sie die überschüssige Energie in Form von Photonen ab, die als sichtbares Licht emittiert werden. Dieses emittierte Licht hat eine längere Wellenlänge und damit eine niedrigere Energie im Vergleich zum anregenden Licht. Diese verzögerte Emission von Licht nennt man Phosphoreszenz.

Was sind Lissajous-Figuren?

Lissajous-Figuren sind komplexe periodische Muster, die in der Physik und Mathematik eine besondere Rolle spielen. Die Figuren entstehen durch die Überlagerung von wellenförmigen Schwingungen und sind nach dem französischen Mathematiker Jules Antoine Lissajous benannt, der sie im 19. Jahrhundert intensiv untersucht hat. Im Fachjargon nennt man wellenförmige Schwingungen auch sinusförmige Schwingungen. Dabei sind zwei Begriffe von Bedeutung: Die Stärke des Ausschlags – der Fachbegriff lautet hier Amplitude – sowie die Anzahl der Ausschläge pro Zeitintervall. Dies wird auch Frequenz genannt.

Für die Form der Lissajous-Figuren sind verschiedene Parameter entscheidend:

• Welche Amplitude bzw. Frequenz haben die Ausgangsschwingen?
• Wie sind die Phasen gegeneinander verschoben?
• Wie ist das Verhältnis der Frequenz?

Schön kann man dies in folgendem Video sehen, in dem das Phänomen der Lissajous-Figuren ausführlich erklärt wird. Lissajous-Figuren kann man auch mit einem Harmonograph erzeugen.

 
Quellen:

Sehr gut wird der Begriff der Phosphoreszenz im Unterschied zur Lumineszenz und der Fluoreszenz auf Leifi erklärt.