Lichtbeugung an einem Einzelspalt (Physik)
Allgemeines:
Im Allgemeinen versteht man unter Beugung (manchmal auch als Diffraktion
bezeichnet) die Ablenkung von "Wellen" an einem Hindernis. Die Beugung
von geradlinigen Ausbreitung von Wellen (Wellen können u.a. Wasser-,
Schall-, Lichtwellen sein) tritt auf, wenn die Welle auf einen Gegenstand
trifft oder durch einen Spalt "geht". Die Beugung kann nach dem Huygensschen
Prinzip beschrieben werden.
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, tritt die Lichtbeugung
auf, wenn Licht auf ein Hindernis trifft, dies sind Einzelspalt, Doppelspalt
und Mehrfachspalt (Gitter).
Nachfolgend soll die Lichtbeugung an einem Einzelspalt erklärt
werden.
Die Lichtbeugung an einem Einzelspalt:
Wie in dem allgemeinen Teil über Lichtstreuung, Lichtbrechung
und Lichtbeugung erklärt, liegt eine Lichtbeugung vor, wenn eine Wellenfront
auf einen Spalt trifft, und nach dem Huygen'schen Prinzip jeder Punkt der
Wellenfront der Ausgangspunkt einer neuen Welle ist, so dass ein Interferenzmuster
(Minima und Maxima) entsteht, dass gemessen werden kann.
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im Allgemeinen gilt, je kleiner der Spalt ist, desto stärker wird
das Licht (um diesen Spalt) gebeugt.
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die Intensität des Lichts wird mit steigendem Winkel kleiner
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in der Regel ist ein Spalt größer als die Wellenlänge des
eingestrahlten Lichts, daher gibt es kein einzelnes Hyugens-Zentrum, sondern
eine ganze Wellenfront, da von jedem Punkt des Spalts eine (neue) Elementarwelle
ausgeht.
Wie bereits im Kapitel "Lichtbeugung" erklärt, sollte man die Begriffe
"Beugung" und "Interferenz" unterscheiden, obwohl beide Begriffe im Grunde
das gleiche Phänomen erklären. So kann man sich merken
-
man spricht von Beugung, wenn nur ein einzelner Spalt (und meistens auch
eine einzelne Wellenfront) betrachtet wird
-
beim Zusammenwirken von mehreren Spalten spricht man von Interferenz.
Die Lichtbeugung:
Die Lichtbeugung kommt so zustande, indem eine Lichtwelle auf einen
Einfachspalt trifft. Dabei kommt es zur Beugung an diesem Spalt und hinter
dem Spalt bildet sich nach dem Huygen´schen Prinzip eine neue Wellenfront.
Diese Elementarwellen breiten sich hinter dem Spalt in alle Richtungen
gleichmäßig aus und überlagern sich dabei. Durch dieses
Elementarwellen kommt es zu konstruktiver Interferenz (Maxima) und destruktiven
Interferenz (Minima), dass ein typisches Interferenzmuster erzeugt.
Die Schnittpunkte der Wellenfronten ergeben eine Intensitätsverstärkung,
die sog. Maxima (mit unterschiedlichen Ordnungen). Zwischen diesen Intensitätsmaxima
liegen die Intensitätsminima, wobei der Phasenunterschied zwischen
den beiden interferierenden Wellen eine halbe Wellenlänge beträgt.
Erklärung:
Bis zum Hauptmaximum haben beide Wellenfronten (nach dem Spalt)
dieselbe Weglänge zurückzulegen und sind daher phasengleich (=
Wellenberg trifft auf Wellenberg bzw. Wellental auf Wellental), was
zu einer konstruktiven Überlagerung führt und dabei ein Maximum
entsteht. Links und rechts nahe am Maximum, ist die Überlagerung der
beiden Wellenfronten nicht mehr exakt phasengleich (unterschiedliche Weglänge),
dennoch tritt immer noch Verstärkung auf. Geht man noch weiter links
und rechts vom Maximum weg, so wird die Verstärkung immer geringer
und geht ab einem gewissen Punkt in eine Abschwächung über,
bis sich im Falle einer Phasenverschiebung von 180° ein Minimum ergibt
(Wellenberg und Wellental addieren sich).
Möglichkeiten beim Durchtritt des Lichts durch den Spalt
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Der Durchmesser des Spalts d ist kleiner als die Wellenlänge des
eingestrahlten Lichts (d < l
): Dann gilt,
dass der Spalt der Ausgangspunkt (bzw. Zentrum) eines kreisförmigen
Wellenzentrums ist, von dem in alle Richtungen neue Elementarwellen ausgehen.
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Der Durchmesser des Spalts d ist größer als die Wellenlänge
des eingestrahlten Lichts (d > l
): Dann gilt,
dass nach dem Spalt sich eine ebene Wellenfront (gerade Front) fortbewegt.
Anwendung:
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Ist d > l
bzw. d >> l
befindet man sich im Bereich der geometrischen Optik mit all ihren Anwendungen.
-
Ist d < l
bzw.
d =
l
befindet
man sich im Bereich der Wellenoptik mit all ihren Anwendungen
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