Sexl Physik 7, Schulbuch

Bei den Überlegungen zur Lichtbrechung haben wir gesehen, dass beim Übertritt des Lichts in ein anderes Medium die Farbe des Lichts, also seine Frequenz, unver- ändert bleibt, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts dagegen vom jeweiligen Medium abhängig ist. Wegen f = c / λ bedeutet dies, dass sich beim Übertritt in ein anderes Medium die Wellenlänge des Lichts verändert. Wir fassen zusammen: Die Frequenz (nicht die Wellenlänge!) charakterisiert die Spektralfarben. Im Vakuum ist die Lichtgeschwindigkeit von der Frequenz unabhängig. Experiment: Beugung am Gitter Du brauchst : Kerze, Gewebe (z. B. Strumpf, Vorhang), CD, Laserpointer. 65.1 E 1 Betrachte in einem abgedunkelten Raum aus größerer Entfernung eine bren- nende Kerze oder eine andere punktförmige Lichtquelle durch ein dicht gewebtes, aber durchsichtiges Gewebe. Was beobachtest du? Ähnliches kannst du beobach- ten, wenn du durch einen Regenschirm hindurch das Licht einer Straßenlampe be- trachtest. 65.2 E 2 Beugungserscheinungen beobachtet man nicht nur im durchgehenden, son- dern auch im reflektierten Licht. Beobachte eine CD im reflektierten, weißen Licht. Stelle eine Hypothese auf, die die beobachteten Farberscheinungen erklärt. Be- strahle die CD mit einem Laserpointer und beobachte die reflektierten Strahlen. (Eine Anleitung findest du unter http://physikplus.oebv.at .) 65.3 E 2 Bestimme mit der Anordnung 66.1 die Spurbreite (den Abstand zweier Spuren) einer CD bzw. DVD. Warum zwei Lichtstrahlen einander (nicht) auslöschen Eine Lichtquelle sendet zahlreiche Lichtwellenzüge aus. Sie haben unterschied- liche Schwingungsebenen und eine begrenzte Länge. Die Emission von Licht durch Atome, also die Aussendung eines Wellenzugs, dauert nur etwa 10 −8 s . Die Länge des Wellenzuges ergibt sich aus l = c · t , bei sichtbarem Licht sind das etwa 3m , bei Laserlicht kann der Wellenzug einige km lang sein. Interferenzstreifen können nur entstehen, wenn zwischen den zusammentref- fenden Wellenzügen während einer relativ zu ihrer Schwingungsdauer T = 1/ f langen Zeit konstante Phasenbeziehungen bestehen. Den Doppelspalt und das Gitter haben wir mit ein und derselben Lichtquelle beleuchtet. Jeder ausgesand- te Lichtwellenzug fiel auf alle Spaltöffnungen des Gitters und erzeugte nach dem Huygens’schen Prinzip dort gleichartige Wellenzüge, die – vorausgesetzt, sie treffen gleichzeitig an einem bestimmten Punkt ein – miteinander interfe- rieren. Laserlicht ist kohärent und ist daher besonders gut geeignet für Interfe- renz- und Beugungsversuche. Das Auflösungsvermögen Mit einer Lupe oder einem Mikroskop können wir ein Objekt nicht beliebig genau betrachten, d. h. nicht alle einzelnen Punkte des Objekts getrennt wahrnehmen. Das Auflösungsvermögen optischer Instrumente ist durch die Beugung begrenzt. Das Auflösungsvermögen beschreibt den kleinsten noch wahrnehmbaren Abstand zweier Punkte. Beugungserscheinungen gibt es nicht nur an einem engen Spalt, sondern auch an anderen kleinen Öffnungen. Beleuchtet man eine kleine Öffnung (am besten eine verstellbare Blende), so erhält man als Beugungsbild eine helle Kreisfläche, die von konzentrischen dunklen und hellen Ringen umgeben ist ( 65.2 ). Bezeichnet man mit D den Durchmesser der Öffnung, so gilt für den ersten dunklen Ring die Bezie- hung sin α = λ / D ( 65.3 ). Für kleine Winkel ist sin α ≈ α (wobei α im Bogenmaß anzugeben ist), es gilt also α ≈ λ / D . 65.1 Beugungserscheinungen lassen sich nicht nur an Gittern, sondern auch bei reflektiertem Licht beobachten. Solche Beugungserschei- nungen treten z. B. an Schmetterlingsflügeln auf. Mikrostrukturen im Flügel bewirken, dass die Lichtwellen in alle Richtungen reflektiert (gestreut) werden. Für jede Wellenlänge gibt es eine bestimmte Richtung, in der sich die von zwei benachbarten Elementen reflektierten Wellen verstärken. Die Farbe des Flügels hängt daher von der Blickrichtung ab. 65.2 Beugungsbild eines kreisförmigen Lochs D A B C 1 1´ 2´ zum Beugungsmaximum 0. Ordnung zum ersten dunklen Streifen   2 65.3 Beugung an einem einfachen Spalt. In senkrechter Richtung verstärken die Wellen einander, weil sie den gleichen Weg zurückle- gen. Bei Strahlen, die mit der Normalen den Winkel α einschließen, löschen die Wellen ein- ander aus. Die von 1 und 1' sowie von 2' und 2 ausgehenden Elementarwellen haben einen Gangunterschied von λ /2. Dasselbe gilt für alle weiteren vom Spalt ausgehenden Elementar- wellen: Zu jeder Welle gibt es eine Welle mit dem Gangunterschied λ /2. Aus dem Dreieck ABC folgt die Lage des ersten dunklen Strei- fens: sin α = λ /D. 65 | ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur z Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv