Wellenoptik – Doppelspaltversuch

Eine starke Stütze für die Vorstellung, dass sich Licht in Wellenform ausbreitet, waren die Versuche von Thomas Young. Stellen wir sein Experiment nach. Young lies Sonnenlicht durch ein kleines Loch im Fensterladen in einen abgedunkelten Raum scheinen. Der entstandene Lichtkegel traf auf zwei enge, parallel ausgerichtete Spalte. Hinter dem Doppelspalt befand sich in einer gewissen Entfernung ein Sichtschirm. Auf diesem beobachtet Young, dass kein einzelner Strahl ankam, es bildete sich vielmehr ein Muster aus hellen und dunklen Streifen. Dieses Muster zeigte bei dem Sonnenlicht sogar Farberscheinungen. So ein Muster konnte nur durch Lichtwellen, nicht durch geradlinige Strahlen, entstehen. Den Durchbruch erlangte die Wellentheorie durch den französischen Naturforscher Augustin Fresnel. Fresnel vereinigte die Konzepte von Huygens und Young. Das Huygens-Fresnelsche Prinzip besagt: Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Welle, einer sogenannten Elementarwelle. Die neue Lage der Wellenfront ergibt sich durch Überlagerung sämtlicher Elementarwellen. Am Doppelspalt kommt es so entweder zur Verstärkung oder zur Auslöschung der Wellenfronten. Mit dem Huygens-Fresnelschen Prinzip kann man die Intensitätsverteilung auf dem Sichtschirm beim Doppelspaltversuch von Young detailliert erklären. Nach der klassischen Strahlenoptik würde man erwarten, dass durch jeden Spalt ein Lichtstrahl fällt. Somit würde man für jeden der zwei Spalte je einen Lichtfleck auf dem Sichtschirm sehen. Dies ist aber nicht der Fall. Das hier entstandene Muster von hellen und dunklen Streifen kann man aber erklären, wenn man sich die Ausbreitung von Licht als Welle vorstellt. Dafür schauen wir uns zunächst an, was passiert, wenn Licht durch einen Spalt fällt. Hier bildet sich ein Beugungsmuster, dass typisch ist für den Einfachspalt. Man sieht einen hellen Lichtstreifen in der Mitte, links und rechts daneben einen dunklen Streifen und dann jeweils wieder einen etwas weniger hellen Lichtstreifen. Die Stellen am Sichtschirm, an denen Lichtstreifen sichtbar sind, bezeichnet man als Maxima. An diesen Stellen treffen Wellenberge aufeinander, sie interferieren konstruktiv. Maxima werden nach ihrer Intensität in verschiedene Ordnungen unterteilt. Der zentrale und hellste Lichtstreifen ist das Hauptmaximum, das Maximum nullter Ordnung. Die rechts und links nächstliegenden Lichtstreifen sind Maxima erster Ordnung und so weiter. Dementsprechend werden die dunklen Stellen auf dem Schirm Minima genannt. An dieser Stelle löschen sich die Wellenzüge des Lichts aus, sie interferieren destruktiv. Auch diese werden, von der Mitte aus gesehen, in erste, zweite Ordnungen und so weiter unterteilt. Die Lage dieser Beugungsmaxima und Beugungsminima hängt von der Wellenlänge ab. Rotes Licht hat eine größere Wellenlänge als grünes Licht. Beim Doppelspalt entsteht keine einfache Überlagerung der Beugungsmaxima. Vielmehr zeigt sich in den Beugungsmaxima ein Streifenmuster. Je kleiner der Abstand zwischen den Spalten ist, desto größer ist der Abstand zwischen den Streifen. Interferenz kann man auch an einem Gitter beobachten. Ein optisches Gitter besteht aus vielen eng beieinander liegenden Spalten. Trifft Licht auf ein solches Gitter, sind auf einem Schirm dahinter typische Interferenzmuster zu beobachten. Wie beim Doppelspalt wird das auf das Gitter fallende Licht an jedem einzelnen Spalt gebeugt. Es breitet sich nach einem Spalt in unterschiedlichste Richtungen aus. Das von den einzelnen Spalten ausgehende Licht überlagert sich hinter dem Gitter. In einigen Bereichen kommt es zur Verstärkung, in anderen zur Auslöschung. Die Breite der Interferenzstreifen ist von der Anzahl der Gitterspalte abhängig. Je größer die Spaltenanzahl des Gitters, desto geringer ist die Breite der Interferenzstreifen. Bei Verwendung von einfarbigem Licht entstehen Interferenzstreifen in der Farbe dieses Lichts. Weißes Licht hingegen wird in seine Farbbestandteile aufgespalten, es entsteht ein Spektrum. Aufgrund seiner Entstehung am Gitter wird es als Gitterspektrum bezeichnet.