Sexl Physik 7, Schulbuch

29 | Schiebt man den Spalt auf einige Hundertstel Millimeter zusammen, so verbreitern sich die hellen Streifen im Schattenraum immer mehr und rücken weiter nach au­ ßen. Zugleich rücken die Grenzen des eigentlichen Spaltbildes nach. Je enger der Spalt wird, desto mehr verbreitert sich sein Bild. Es tritt Beugung auf ( 28.2 ). Man erkennt das Hauptmaximum (Beugungsmaximum nullter Ordnung) und die Maxima höherer Ordnung ( Nebenmaxima ). Die Intensität der Nebenmaxima nimmt mit zunehmender Entfernung vom Hauptmaximum ab. Experiment: Beugung eines Laserstrahls an einem Haar 29.1 Du brauchst: Laserpointer, ein Haar Was ist zu tun? Richte den Laserstrahl auf eine Wand. Halte ein Haar in den Lichtweg. Was beobachtest du? Du siehst nun nicht mehr einen Lichtpunkt, sondern eine Reihe von Punkten. Sie entsprechen den Beugungsmaxima des vorangegangenen Experiments. Ähnlich verhält sich der Laserstrahl, wenn wir ihn auf eine Kante richten. Beugungsmuster finden wir überall dort, wo Licht durch kleine Öffnungen hin­ durch tritt ( 28.2 ) oder Licht an kleinen Hindernissen (etwa wie in Experiment 29.1 an einem Haar) gebeugt wird. Allerdings sind die Nebenmaxima nur bei Ver­ wendung von Laserlicht deutlich zu sehen, bei Verwendung anderer Lichtquellen sind sie sehr schwach. Ein Grund ist, dass der schmale Spalt nur sehr wenig Licht hindurchlässt. (Über die Besonderheiten des Laserlichts erfährst du mehr auf S. 50). Wir werden im nächsten Abschnitt aus diesem Grund die Zahl der Öffnun­ gen vergrößern. Zunächst betrachten wir die Beugung am Doppelspalt. Die Beu­ gung am Doppelspalt ist auch gut geeignet, um die Entstehung der Haupt und Ne­ benmaxima zu erklären. Die Beugung am Doppelspalt Experiment: Beugung am Doppelspalt 29.2 Du brauchst: Laserpointer, Doppelspalt; Zerstreuungslinse mit Halterung. Was ist zu tun? Richte den Laserstrahl auf eine Wand. Halte den Doppelspalt in den Strahlengang. Wiederhole den Versuch, und verbreitere dieses Mal den Laserstrahl mit einer Zerstreuungslinse. Die Versuchsanordnung ist dieselbe wie beim vorhergehenden Abschnitt. Der verstellbare Spalt wird nun durch einen engen Doppelspalt ersetzt. Am Schirm er­ scheint ein System von hellen und dunklen Punkten bzw. Linien ( 29.3 ). Wie lässt sich das Phänomen erklären? Der analoge Versuch mit Wasserwellen zeigt: Hinter jeder Öffnung breitet sich eine Kreiswelle aus ( 29.4 ). Diese Kreiswellen laufen übereinander hinweg und bilden ein „Interferenzmuster“ (vgl. Physik 6). Wo ein Wellenberg auf einen Wellenberg trifft, entsteht ein doppelt so hoher Wellenberg. Wo ein Wellental auf ein Wellental trifft, ergibt sich ein doppelt so tiefes Wellental. Wo aber ein Wellenberg mit einem Wellental zusammenfällt, löschen die Wellen einander aus. Dies ist dann der Fall, wenn der Wegunterschied (Gangunterschied) der beiden Kreiswellen ein ungerad­ zahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge beträgt. Wir wollen die Lage der hellen Linien ermitteln. Wir fassen zunächst die Symme­ trieachse der Anordnung ins Auge. In dieser Richtung verstärken die Lichtwellen einander, weil sie den gleichen Weg zurückzulegen haben. Auf der Symmetrieach­ se herrscht daher Helligkeit. Dieses Ergebnis ist überraschend, könnte man doch meinen, dass gerade dieses Gebiet von der Wand zwischen den beiden Spaltöffnun­ gen abgedeckt wird und daher im Wellenschatten liegt. Nun betrachten wir einen Lichtstrahl, der mit dem Beugungsmaximum null­ ter Ordnung den Winkel φ einschließt ( 30.1 ). Für den Winkel φ verstärken die Lichtwellen einander, wenn der Gangunterschied genau eine Wellenlänge beträgt. Dasselbe ist auch für jene Winkel der Fall, für die die Strecke ein ganzzahliges Vielfaches einer Wellenlänge ist. Bezeichnet man mit d den Abstand der beiden Spaltöffnungen, so gilt für den Winkel φ sin φ = k· λ / d (k = 0, 1, 2, 3, …). 29.1 Beugung an einer Rasierklinge 29.2 t hoMas y oung (1773–1829) studierte zu- nächst Medizin und promovierte in Göttingen. Als Professor für Physik in England begann er die Newton’sche Teilchentheorie in Zweifel zu ziehen. Er betrachtete das Licht als Wellenbe- wegung. Mittels der von ihm erfundenen Wel- lenwanne studierte er Beugungserscheinun- gen. Schließlich gelang es ihm, die Wellenlänge des Lichts zu messen. Young beherrschte neun Sprachen, spielte mehrere Musikinstrumente und verfasste Abhandlungen über Malerei. Er begründete die Dreifarbentheorie des Sehens (vgl. S. 24) und hatte Anteil an der Entzifferung der Hieroglyphen. 29.3 Beugung eines Laserstrahls am Doppelspalt mit großem (oben) und geringem (unten) Abstand der Spaltöffnungen. 29.4 Doppelspaltversuch mit Wasserwellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv