Bei den Überlegungen zur Lichtbrechung haben wir gesehen, dass beim Übertritt des Lichts in ein anderes Medium die Farbe des Lichts, also seine Frequenz, unverändert 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. 73.1 E3 Betrachte in einem abgedunkelten Raum aus größerer Entfernung eine brennende Kerze oder eine andere punktförmige Lichtquelle durch ein dicht gewebtes, aber durchsichtiges Gewebe. Stelle zuerst eine Vermutung auf, was das Resultat des Experiments sein wird, und protokolliere dann deine Beobachtungen. Ähnliches kannst du beobachten, wenn du durch einen Regenschirm hindurch das Licht einer Straßenlampe betrachtest. 73.2 E2 a) Beobachte eine CD oder eine DVD im reflektierten weißen Licht (59.3). Beschreibe, was du siehst, und überlege dir eine Erklärung. 73.1 Beugungserscheinungen lassen sich nicht nur an Gittern, sondern auch bei reflektiertem Licht beobachten. Solche Beugungserscheinungen 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. 73.2 Beugungsbild eines kreisförmigen Lochs 73.3 Beugung an einem einfachen Spalt. In senkrechter Richtung verstärken die Wellen einander, weil sie den gleichen Weg zurücklegen. Bei welchem Winkel α zur Normalen tritt das erste Beugungsminimum auf? Dafür müssen die von 1 und 1' (bzw. 2 und 2') ausgehenden Elementarwellen einen Gangunterschied von λ/2 haben. Dasselbe gilt für alle weiteren vom Spalt ausgehenden Elementarwellen: Zu jeder Welle gibt es eine Welle mit dem Gangunterschied λ/2. Aus dem Dreieck ABC folgt die Lage des ersten dunklen Streifens: sin α = λ/D. D A B C 1 1´ 2´ zum Beugungsmaximum 0. Ordnung zum ersten dunklen Streifen 2 Warum zwei Lichtstrahlen einander (nicht) auslöschen Eine Lichtquelle sendet zahlreiche Lichtwellenzüge aus. Sie haben unterschiedliche 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 3 m, bei Laserlicht kann der Wellenzug einige km lang sein. Interferenzstreifen können nur entstehen, wenn zwischen den zusammentreffenden 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 ausgesandte 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 interferieren. 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 (73.2). Bezeichnet man mit D den Durchmesser der Öffnung, so gilt für den ersten dunklen Ring die Beziehung sin α = λ _ D (73.3). Für kleine Winkel ist sin α ≈ α (wobei α im Bogenmaß anzugeben ist), es gilt also α ≈ λ _ D . 73 2 Beugung und Interferenz des Lichts Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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