Der Doppelspaltversuch mit Licht: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 14. November 2017, 17:35 Uhr

(Kursstufe > Die Welleneigenschaften des Lichts)

Versuche

Erster Versuch: Doppelspaltversuch mit dem Licht einer Glühlampe

Doppelspalt mit Mikrowellen

Erster Aufbau

Wir "wissen" irgendwoher, dass Licht eine Welle, genauer einer elektromagnetische Welle ist. Also sollte Licht auch die typischen Welleneigenschaften der Beugung und der Interferenz zeigen. Licht sollte also in den geometrischen Schattenraum eindringen können und die Überlagerung zweier Lichtwellen sollte je nach Situation hell oder dunkel sein.

Da wir den Doppelspaltversuch schon mit Mikrowellen durchgeführt haben, ersetzen wir einfach den Mikrowellensender durch eine Glühlampe.

Erste Beobachtung

Das Ergebnis ist enttäuschend: Man sieht einfach den Schatten der Aluplatten an der Wand. Von Beugung und Interferenz keine Spur!

Erstes Ergebnis

Eigentlich ist das Ergebnis nicht überraschend. Denn uns ist geläufig, dass der Schatten von Gegenständen, wie unserer Hand einen mehr oder weniger scharfen Schatten bilden. Interferenzmuster haben wir da noch nie gesehen.

Das kann eigentlich nur daran liegen, dass der Doppelspalt zu groß ist. Wahrscheinlich ist die Wellenlänge des Lichtes viel kleiner als die der Mikrowellen. Daher muss auch der Spalt kleiner sein!

Versuch: Der Schatten eines Haares

Erster Aufbau

Wesentlich kleiner als der Doppelspalt für die Mikrowellen ist ein menschliches Haar. Es ersetzt die mittlere Aluplatte. Das Licht kann nur rechts oder links vorbei.

Wir halten uns ein Haar unmittelbar vor das Auge und schauen in die Glühbirne. Das Lämpchen darf dabei nicht zu nahe sein (min. 2m) und es sollte ansonsten im Raum dunkel sein.

Beobachtung

Außerhalb eines hellen Lichtflecks sehen wir wieder zwei Lichtstreifen, die von dem Lämpchen auszugehen scheinen. Die Lichtstreifen sind senkrecht zur Ausrichtung des Haares. Die Lichtstreifen sind in regelmäßigen Abständen dunkel und farbig.

Zweiter Aufbau

Wir halten ein Haar in den Lichtstrahl eines roten Lasers und betrachten uns den "Schatten" an der Wand.

Man kann auch das Ergebnis bei Haare von verschiedenen Personen vergleichen und einen grünen Laser verwenden.

Beobachtung

Wir sehen wieder einen Lichtstreifen senkrecht zum Haar. Der Streifen ist in regelmäßigen Abständen hell und dunkel, diesmal aber nur rot.

Wir messen folgende Größen mit Mikrometerschraube und Lineal bei dem roten Laser:

Dicke des Haares: 0,05 mm
Abstand Haar-Wand: 1 m
Abstand Mitte des Musters - 2. dunkle Stelle: 1,8 cm

Erklärung

Das Phänomen ist genauso wie die Interferenz von Schallwellen oder von Mikrowellen zu interpretieren.

Offensichtlich dringt das Licht von beiden Seiten des Haares in den Schattenraum ein. Die Lichtwellen beider Seiten überlagern sich hinter dem Haar. Es kommt zu konstruktiver und destruktiver Interferenz.

Bemerkenswert ist dabei, dass das Licht auf einer Strecke von nur einem Meter bis zu mehreren Zentimetern von der geradlinigen Ausbreitung abweicht!

Nur die bunten Abschnitte in den Lichtstreifen bei der Glühbirne sind noch zu erklären.

>>Bild und Text zur Erklärung hierhin. Daraus resultiert eine Formel. (Annahme: Zwei Elementarwellen am Rand des Haars, was nicht ganz stimmt.) Wellenlänge des Lichts berechnen!<<

Animation

In dieser Animation ist statt eines kleinen Hindernisses ein Doppelspalt im Lichtweg. Die beiden Spalte sind dabei die Ausgangspunkte der Elementarwellen. Man kann den Abstand zwischen den beiden Spalten und die Lichtfarbe variieren.

Versuch: Der Doppelspalt-Versuch mit Laserlicht

Aufbau

Beobachtung

Erklärung

Versuch: Der Doppelspalt-Versuch mit dem Licht einer Glühlampe

Aufbau

• 

  Eine Glühlampe als Lichtquelle

• 

  Die Kondensorlinse ist so plaziert, dass sie die Glühwendel scharf auf den Schirm abbildet.

• 

  Der Spalt wirkt als Blende und macht das Bild dunkler und schärfer.

• 

  Die Linse bildet den Spalt auf dem Schirm ab.

• 

  Zum Schluss noch der Doppelspalt. Am besten in den Fokus hinter der Sammellinse.

• 

  Von der anderen Seite gesehen. (Hier mit einem Gitter)

Vergleiche dazu auch eine Liste von verschiedenen Aufbaumöglichkeiten. (LEIFI)

Beobachtung

• 

  Hier ist der Beleuchtungsspalt groß

• 

  ... und hier kleiner.

Erklärung

Vergleich der verschiedenen Experimente

Bei allen Experimenten hat man ähnliche Ergebnisse, nämlich eine Art Strichmuster und auch die Erklärung des Phänomens mit Hilfe der Beugung und Interferenz von Licht wellen ist gleich. Die Unterschiede liegen im Detail. Folgende Stellschrauben hat das Experiment. Jede Veränderung einer dieser Möglichkeiten bewirkt auch eine Veränderung im Ergebnis:

• der Abstand zwischen den Spalten und dem Schirm
• der Abstand der Spalte voneinander, bzw. die Breite des Hindernisses
• die Farbe des Lichtes

Die Veränderungen durch diese drei Stellschrauben wurden bereits vollständig durch die obigen Überlegungen beschrieben.

• die Anzahl der Spalte

Vergrößert man die Anzahl der Spalte immer mehr, so spricht man auch von Dreifachspalten, Vierfachspalten usw. Bei "ganz vielen" Spalten spricht man von einem sogenannten Gitter.

• die Breite der Spalte

Die Frage, wie die Spaltbreite das Ergebnis verändert führt direkt zur Betrachtung des Einfachspaltes.

• die Art der Lichtquelle: Glühlampe, Laser oder andere...

Die Veränderungen durch die Art der Lichtquelle führen natürlich zu der Frage wie die Glühlampe und der Laser ihr Licht "produzieren", denn offensichtlich hat das Licht der beiden Quellen eine unterschiedliche Qualität. Diese Qualität wird durch den Begriff der Kohärenz von Licht beschrieben.

Mathematische Beschreibung des Doppelspalts (eine Formel:)

Man geht davon aus, dass von jeder Spaltmitte aus sich eine Elementarwelle ausbreitet. Damit erhält man genau die gleiche Situation wie bei der Zwei-Quellen-Interferenz von Schallwellen. Nun will man die Überlagerung berechnen, genauer, die Überlagerung an einer Stelle des Schirms.

Die betrachtete Stelle [math]P[/math] ist um [math]a[/math] aus der optischen Achse verschoben und [math]L[/math] vom Doppelspalt entfernt. Der Schirm befindet sich im Abstand [math]l[/math] vom Doppelspalt.
Die Spaltmitten haben einen Abstand [math]d[/math] voneinander und [math]\Delta s[/math] ist der Gangunterschied der beiden Strahlen.

An der Stelle [math]P[/math] überlagern sich zwei Schwingungen gleicher Frequenz, aber evt. unterschiedlicher Phase^[1] .

Die Phasenverschiebung hängt direkt mit dem Unterschied der Weglänge der Elementarwellen von den Spalten bis zur Stelle [math]P[/math], dem sogenannten Gangunterschied [math]\triangle s[/math] zusammen. Ist z.B. [math]\triangle s = 2 \ \lambda[/math], so ist die Phasenverschiebung [math]2\cdot 2\pi[/math] und die Amplitude der Schwingung ist groß ("konstruktive Interferenz"). Ist [math]\triangle s = 1{,}5 \ \lambda[/math], so ist die Phasenverschiebung [math]1{,5}\cdot 2\pi[/math] und die Amplitude der Schwingung ist null("destruktive Interferenz").

In der weiteren Rechnung nimmt man vereinfachend an, dass die Strecken [math]S_1 P[/math] und [math]S_2 P[/math] parallel sind, was für einen "großen" Abstand zwischen Schirm und Spalt gerechtfertigt ist, denn dann ist [math]L[/math] wesentlich größer als [math]d[/math]. Diese Näherung wird auch "Fernfeld-Näherung", "Fraunhofer-Näherung" oder "Fraunhofer-Beugung" genannt. Dann sind die beiden rechtwinkligen Dreiecke [math]S_1 R S_2[/math] und [math]M O P[/math] ähnlich, denn sie haben gleiche Winkel. Demnach gilt:

[math]\frac{\triangle s}{d} = \frac{a}{L} = \sin(\alpha)[/math]

Weil man den Abstand [math]L[/math] schlecht messen kann, [math]l[/math] aber gut, kann man [math]L[/math] entweder mit dem Satz des Pythagoras berechnen oder man setzt bei "kleinem" Winkel [math]\alpha[/math] auch einfach [math]l \approx L[/math] als Näherung ein:

Fußnoten

1. ↑ Vgl. mit der Überlagerung von mechanischen Schwingungen oder mechanischen Wellen.

Links

• Animation: Doppelspalt Farbe und Spaltabstände variabel (Walter Fendt)
  • Animation: Doppelspalt Farbe, Spaltabstand und Spaltbreite variabel (Surendranath B.)
  • Animation: Mehrfachspalte Farbe, Spaltabstand, Spaltbreite und Anzahl der Spalte einstellbar (LEIFI: Uni Keimyung Southkorea)
• Animation: Doppelspalt mit Zeigeraddition (Friedrich-Wilhelm Dustmann, Uni Siegen)
  • Animation: Doppelspalt mit Zeiger-Addition (Peter Kraus)
• RCL: Ferngesteuertes Experiment: Doppelspalt(Remotely Controlled Laboratories - RCLs, Uni Kaiserslautern)

• Video Zwei Steine in den Teich werfen (Youtube: Überlagerung und Interferenz zweier Kreiswellen von rastelli43)
• Applet mit Interferenz zweier Kreis- oder Kugelwellen (Walter Fendt)
• Doppelspaltsimulation von Peter Kraus (pk-applets.de)
• Animation der Interferenz von Schall-, Wasser- oder Lichtwellen ("Interactive Simulations" der University of Colorado at Boulder)
• Zwei Quellen Interferenz (LEIFI)
• The Original Double Slit Experiment (youtube: veritaserum)