Lichtbeugung am Doppel- und Mehrfachspalt

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 nun die Lichtbeugung an einem Doppelspalt und Mehrfachspalt (Gitter) erläutert werden:

Lichtbeugung beim Doppel- und Mehrfachspalt

Beim Doppelspalt und Gitter liegt jeweils eine Interferenz vor. Treffen Wellenfronten auf einen Doppelspalt, so bilden sich hinter dem Doppelspalt gemäß des Huygens´schen Prinzips an beiden Spalten neue (Elementar)wellen. Diese Wellen überlagern sich dabei (Interferenz) und führt an einigen Orten zu konstruktiver Interferenz (Verstärkung), an anderen Orten zu destruktiver Interferenz (Abschwächung). Dies kann man mit Hilfe von Meßgeräten verdeutlichen, so findet sich hinter den Doppelspalt, in der Mitte ein sehr helles Maximum (Hauptmaximum), rechts und links neben dem Hauptmaximum bilden sich die schwächeren Nebenmaxima. Zwischen den einzelnen Maxima finden sich dunkle Bereiche, die Minima.

Durch die Überlagerung zweier Wellen mit gleicher Wellenlänge kommt es zu einer Interferenz (siehe Skizze). Dabei bilden sich Maxima (beide Wellen haben gleiche Phase, d.h. Wellenberg trifft auf Wellenberg bzw. Wellental trifft auf Wellental) und Minima (beide Wellen haben Gegenphase, d.h. Wellenberg trifft auf Wellental). Bei der Berechnung der Position von Maxima und Minima kann die Spaltbreite d vernachlässigt werden, da diese gering ist gegenüber dem Spaltabstand D (d << D).

Für den Mehrfachspalt (optisches Gitter, allerdings nur bei gleichen Spaltabständen) gilt:



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Lichtbeugung am Doppel- und Mehrfachspalt – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem Phänomen der Lichtbeugung?

Die Lichtbeugung ist die Abweichung von Lichtwellen von einer geraden Linie, wenn sie auf ein Hindernis treffen oder durch eine Öffnung gehen. Dieses Phänomen wird durch die Huygens-Fresnelsche Princip beschrieben.

2. Was ist ein Doppelspalt und wie beeinflusst er die Lichtbeugung?

Ein Doppelspalt ist ein Objekt mit zwei eng benachbarten schmalen Öffnungen, durch die Lichtstrahlen hindurchtreten können. Das hindurchtretende Licht an den beiden Spalten wird gebeugt und führt zur Interferenz, wodurch ein charakteristisches Interferenzmuster entsteht.

3. Was bestimmt das Interferenzmuster, das durch einen Doppel- oder Mehrfachspalt erzeugt wird?

Das Interferenzmuster wird durch den Abstand der Spalte und die Wellenlänge des Lichts bestimmt. Besonders sichtbar wird dies anhand der Lage und der Intensität der Interferenzmaxima und -minima.

4. Was ist der Unterschied zwischen der Beugung am Einzelspalt und am Doppelspalt?

Die Beugung am Einzelspalt führt zu einem allgemeinen Beugungsmuster mit einem hellen zentralen Maximum und mehreren weniger hellen Nebenmaxima. Bei der Beugung am Doppelspalt treten Interferenzen zwischen den von den beiden Spalten ausgehenden Wellen auf, was zu einem Interferenzmuster führt.

5. Wie berechnet man die Position der Interferenzmaxima in einem Doppelspaltexperiment?

Die Position der Interferenzmaxima kann mit der Formel d*sin(θ) = m*λ berechnet werden, wobei d der Abstand zwischen den Spalten, θ der Beugungswinkel, m der Ordnung des Maximums und λ die Wellenlänge des Lichts ist.

6. Was sind konstruktive und destruktive Interferenzen?

Konstruktive Interferenzen treten auf, wenn zwei Wellen gleicher Phase (d.h. sie erreichen ihre Maxima und Minima gleichzeitig) aufeinander treffen und sich verstärken. Destruktive Interferenzen treten auf, wenn Wellen aufeinandertreffen, die genau entgegengesetzte Phasen haben (eine erreicht ihr Maximum, während die andere ihr Minimum erreicht), was eine Abschwächung zur Folge hat.

7. Was ist eine Interferenzordnung?

Die Interferenzordnung (m) beschreibt die Position eines Interferenzmaximums. Das zentrale Maximum hat die Ordnung m = 0, die benachbarten Maxima haben die Ordnungen m = ±1, danach folgen m = ±2, und so weiter.

8. Was ist der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Lichts und der Beugung am Doppelspalt?

Je größer die Wellenlänge des Lichts ist, desto stärker wird es gebeugt. Dies führt zu einer größeren Verteilung der Interferenzmaxima.

9. Was zeigt das Experiment von Thomas Young?

Das Experiment von Thomas Young zeigt die Beugung und Interferenz von Licht am Doppelspalt und demonstriert damit den Wellencharakter des Lichts.

10. Was passiert, wenn die Anzahl der Spalte in einem Beugungsexperiment erhöht wird?

Wenn die Anzahl der Spalte erhöht wird, entsteht ein mehrfachbeugungsbild mit schmaleren, aber helleren Interferenzmaxima.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 23. November 2023