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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.

  • im Allgemeinen gilt, je kleiner der Spalt ist, desto stärker wird das Licht (um diesen Spalt) gebeugt.
  • die Intensität des Lichts wird mit steigendem Winkel kleiner
  • 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

  • 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.
  • 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:

  • 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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