Beugung und Interferenz

Optik

Beugung und Interferenz

  • Kommt Licht um die Ecke?
  • Licht + Licht = Dunkelheit?
  • Wie misst man die Wellenlänge von Licht?

Anordnungen von FRESNEL und FRAUNHOFER

FRESNEL-Anordnung

Abb. 1

Beim ursprünglichen Versuch von Thomas YOUNG dient ein vom Sonnenlicht beleuchtetes Loch im Fensterladen des abgedunkelten Zimmers als Lichtquelle L. Mit dieser Lichtquelle wird der Doppelspalt DS bestrahlt. Auf einem Schirm S hinter dem Doppelspalt tritt eine Interferenzerscheinung auf (vgl. Abb. 1)

Die Interferenzerscheinung auf dem Schirm kommt durch Beugung des Lichts am Doppelspalt zustand (Interferenz durch Beugung). Die Lichtquelle L und ein Aufpunkt A am Schirm, in dem eine Interferenzerscheinung auftritt, haben einen endlichen Abstand. In diesem Fall spricht man von FRESNELscher Beugung.

 
Abb. 2

Will man vom Sonnenlicht unabhängig sein, so kann man eine helle Lampe verwenden. Bei Verwendung von gewöhnlichen Lampen (z.B. der eines Projektors) reicht es allerdings nicht, den Doppelspalt mit dem Lampenlicht auszuleuchten. Es tritt keine deutliche Interferenzerscheinung am Schirm auf.

 
Abb. 3

Setzt man nun vor den Doppelspalt einen engen Einzelspalt (entspricht dem Loch im Fensterladen beim Originalversuch von Young), so ist eine Interferenzerscheinung zu beobachten. Man bezeichnet den Einzelspalt, der erst das Auftreten der Interferenz am Doppelspalt ermöglicht, als Kohärenzspalt (lat. cohaerere „zusammenhängen").

4 Zusammenhang zwischen Kohärenz und Interferenzmuster
Erläuterung zum Kohärenzspalt

Man kann sich eine gewöhnliche, ausgedehnte Lichtquelle (z.B. Projektorlampe) aus sehr vielen einzelnen Lichtsendern aufgebaut denken, die eine gewisse Entfernung von einander besitzen. Diese Lichtsender emittieren unabhängig von einander, ohne eine Regelmäßigkeit Lichtwellen-Pakete, die auf den Doppelspalt treffen (dabei sind die Schwingungsrichtungen der Wellenpakete der einzelnen Sender höchst unterschiedlich). Wie die nebenstehende Animation zeigt, verursacht jedes Wellenpaket für sich eine Interferenzerscheinung am Schirm. Durch die verschiedenen Sendeorte kommt es jedoch zu einer Überlappung der Interferenzerscheinungen am Schirm und als Ergebnis stellt sich ein "verwaschenes" Bild ein.

Durch den Einbau eines Kohärenzspaltes wird erreicht, dass zwischen den einzelnen Sendeorten keine großen Wegdifferenzen mehr bestehen und sich somit ein gut erkennbares Interferenzmuster ergibt (vgl. Abb. 3).

Abb. 5

Durch die Verwendung eines Kondensors (große Sammellinse, welche das Lampenlicht auf den Kohärenzspalt konzentriert) und evtl. eines gekrümmten Spiegels hinter der Lampe (der das in den Rückraum ausgesandte Licht zurück wirft) kann die Ausleuchtung der "Lichtquelle Kohärenzspalt" erheblich gesteigert werden, so dass ein wesentlich helleres Interferenzbild entsteht.

 
Abb. 6

Ein besonders einfacher Versuchsaufbau ergibt sich, wenn man als Lichtquelle einen Laser verwendet. Bei dieser Quelle werden besonders lange, "synchronisierte" Lichtwellenzüge ausgesandt, so dass der Kohärenzspalt entfallen kann.

FRAUNHOFER-Anordnung

Abb. 7

Während bisher auf den Doppelspalt stets ein divergentes Lichtbündel auftraf, kann durch Verwendung von Sammellinsen erreicht werden, dass die Lichtquelle L und ein Aufpunkt A am Schirm scheinbar unendlich weit voneinander entfernt sind. In diesem Fall spricht man von einer FRAUNHOFERschen Beugungserscheinung.

In der Realität ist der Abstand zwischen den Punkten L und A natürlich endlich. Da durch die Linsen aber erreicht wird, dass das Licht parallel auf den Schirm auftrifft, scheint L von A "unendlich weit" entfernt zu sein.

 
Abb. 8

In der Schule verwendet man meist eine Anordnung, bei der die Beugungserscheinung nicht rein nach FRESNEL, aber auch nicht rein nach FRAUNHOFER, gestaltet ist (man spart gegenüber der FRAUNHOFERschen Anordnung eine Linse). Ein nähere Erläuterung dieser Anordnung finden Sie auf der Seite Grundaufbau für Interferenzversuche.

Überlagerung der Elementarwellen (JAVA-Applet von Peter Kraus)

Bei dem JAVA-Applet von Peter Kraus kann man die Wellenlänge (links unten) und den Beobachtungspunkt am Bildschirm verändern und sowohl für den Einzelspalt als auch für Doppel-, Dreifach-, und Vierfachspalt die Wellenüberlagerung genau verfolgen
Das Zustandekommen der Überlagerungsamplitude (rechts oben) wird mit dem Zeigerdiagramm (rechts unten) verdeutlicht.


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