Lichtbeugung an einem Hindernis

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.

Die Lichtbeugung an einem Hindernis

Wie bereits in den einführenden Kapiteln erklärt, bedeutet “Beugung”, dass einer Welle ein Hindernis im Weg steht, so dass ein nur ein Teil der Wellenfront am Hindernis vorbeikommt und ein Teil der Wellenfront nicht.
Mit Hilfe des Huygens´schen Prinzip ist es möglich, die Lichtverteilung hinter dem Hindernis zu zu bestimmen (vor dem Hindernis breiten sich die Wellen in alle Richtungen gleichmäßig aus). Das Huygens´sche Prinzip besagt dabei , dass die Lichtwelle hinter einem Hindernis so weiterläuft, als ob von jedem Punkt der Öffnung eine (neue Elementar)welle ausginge. Diese Elementarwellen breiten sich im gleichen Medium mit der gleichen Geschwindigkeit aus, wie die ursprüngliche Welle.

In Zusammenhang mit dem Phänomen “Lichtbeugung” kommt noch ein zweites Phänomen dazu, nämlich die “Interferenz”. Dabei beschreibt das Phänomen “Interferenz” die Überlagerung zweier (oder mehrerer) Elementarwellen, was eine Abschwächung (destruktive Interferenz) oder Verstärkung (konstruktive Interferenz) der Wellen zur Folge haben kann.
Bei der Interferenz addieren sich die Elongationen (Amplitude) der einzelnen Wellen für jeden Raumpunkt. Dabei treten zwei Extremfälle auf.

• Maximum: Wellenberg fällt auf Wellenberg bzw. Wellental auf Wellental -> konstruktive Interferenz
• Minimium: Wellenberg fällt auf Wellental -> destruktive Interferenz.

Neben den beiden Extremfällen gibt es beliebig viele “Interferenzen”, in denen sich die Wellen nur teilweise verstärken oder abschwächen.

Vorkommen von Lichtbeugung

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, tritt die Lichtbeugung auf, wenn Licht auf ein Hindernis trifft, die möglichen Hindernisse kann man als Einzelspalt, Doppelspalt oder Mehrfachspalt (Gitter) sehen, je nach Art des Hindernisses.

• Einzelspalt: Das Huygens´sche Prinzip besagt, dass die Lichtwelle hinter einem Hindernis so weiterläuft, als ob von jedem Punkt der Öffnung eine (neue Elementar)welle ausginge. Diese Elementarwellen breiten sich im gleichen Medium mit der gleichen Geschwindigkeit aus, wie die ursprüngliche Welle. Diese Elementarwellen überlagern sich und bilden ein Interferenzmuster. Dabei sind an einigen Orten Minima zu beobachten, an denen kein Licht ankommt (alle Elementarwellen interferieren destruktiv) und an anderen Orten Maxima zu beobachten, an denen die Elementarwellen konstruktiv interferieren. Dabei lassen sich die Positionen der Minima und Maxima folgendermaßen berechnen.

• Doppelspalt und Gitter: 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.

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).

Anmerkung:
Die Beugung von Lichtwellen im Alltag wird meist nicht wahrnehmen. Dies liegt daran, dass das Phänomen der “Beugung” erst (mit bloßem) sichtbar ist an Hindernissen, deren Größe in etwa der Wellenlänge entspricht, d.h. ist das Hindernis deutlich größer als die Wellenlänge, so spielt die Beugung kaum eine Rolle.

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weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

• Einführung in die Optik

• Wellenoptik und geometrische Optik

• Lichtbeugung