Lichtbeugung an einem Einzelspalt (Physik)

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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Lichtbeugung an einem Einzelspalt (Physik) – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem Begriff “Lichtbeugung” in der Physik?

Unter Lichtbeugung versteht man die Abweichung des Geradeauslaufes des Lichts, die auftritt, wenn eine Lichtwelle an einem Hindernis oder einer Öffnung vorbeiläuft. Das Phänomen wird durch die Welleneigenschaft des Lichts erklärt.

2. Was geschieht bei der Lichtbeugung an einem Einzelspalt?

Wenn Licht auf einen Einzelspalt fällt, beugt es sich an den Rändern des Spalts ab und erzeugt ein Interferenzmuster auf dem hinter dem Spalt befindlichen Schirm. Dieses Muster besteht aus einem hellen Zentralmaximum und dunklen Minima, abwechselnd mit weniger hellen Maxima.

3. Was sind Interferenzmuster und wie entstehen sie?

Interferenzmuster sind Muster von hellen und dunklen Bereichen, die durch die Interferenz von Lichtwellen erzeugt werden. Sie entstehen, wenn die Wellen aus zwei Quellen an verschiedenen Stellen überlagert werden und sich verstärken oder auslöschen.

4. Was ist das Zentralmaximum in einem Interferenzmuster?

Das Zentralmaximum ist die Mitte des Interferenzmusters, die durch die Lichtbeugung an einem Einzelspalt entsteht. Es ist der hellste Bereich des Musters und wird durch die konstruktive Überlagerung der Lichtwellen erzeugt.

5. Welche Faktoren beeinflussen die Breite und Intensität des Zentralmaximums?

Die Größe des Spalts und die Wellenlänge des Lichts sind die Hauptfaktoren, die die Breite und Intensität des Zentralmaximums beeinflussen. Eine kleinere Spaltbreite oder eine größere Wellenlänge führt zu einer breiteren Beugungsfigur und einem weniger intensiven Zentralmaximum.

6. Wie setzt sich das Beugungsbild bei einem Einzelspalt zusammen?

Das Beugungsbild setzt sich aus einem zentralen hellen Streifen (Zentralmaximum), umgeben von mehreren schwächeren hellen Streifen (Nebenmaxima) zusammen. Dazwischen befinden sich dunkle Streifen (Minima), an welchen sich die Lichtwellen destruktiv überlagern.

7. Was passiert, wenn man die Wellenlänge des Lichts ändert?

Wenn die Wellenlänge des Lichts verändert wird, verändert sich das Beugungsmuster. Eine größere Wellenlänge führt zu einem breiteren Beugungsmuster und einer geringeren Ortsfrequenz der Maxima und Minima.

8. Was passiert, wenn man die Größe des Spalts verändert?

Die Größe des Spalts beeinflusst die Breite des Beugungsmusters. Ein kleinerer Spalt führt zu einem breiteren Beugungsmuster und einem weniger scharfen Zentralmaximum.

9. Was ist der Unterschied zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz?

Bei konstruktiver Interferenz verstärken sich die Wellen, wodurch helle Bereiche (Maxima) im Interferenzmuster entstehen. Bei destruktiver Interferenz löschen die Wellen einander aus, wodurch dunkle Bereiche (Minima) im Muster entstehen.

10. Was ist der fundamentale Unterschied zwischen der Beugung von Licht und der Beugung von Teilchen?

Der fundamentale Unterschied liegt in der Dualität von Welle und Teilchen in der Quantenphysik. Während Licht sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften zeigt (Wellenteilchendualismus), verhalten sich Materieteilchen in der klassischen Physik nicht wie Wellen. Daher zeigt Licht Beugung, während klassische Teilchen sich geradlinig bewegen.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 16. November 2023