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Einführung in die Wellenoptik

Die Grenzen der geometrischen Optik

Der enger werdende Einfachspalt

Betrachten Sie das folgende Versuchsvideo. In diesem sehen Sie einen Einfachspalt, der von einem Laser beleuchtet wird. Die Breite des Einfachspalts wird nun mittels eines Stellrades verringert, bis der Einzelspalt komplett geschlossen ist. Dabei beobachten wir den Lichtfleck auf dem Sichtschirm hinter dem Einfachspalt.

Abb.1

Zunächst entspricht unsere Beobachtung völlig der Erwartung, die wir haben, wenn wir für das Verhalten von Licht das Modell der geradlinigen Ausbreitung von Lichtstrahlen (geometrische Optik) zugrunde legen: Auf dem Sichtschirm ist ein Lichtfleck sichtbar, der in seinen Ausmaßen (von Divergenzeffekten des Laserstrahlbündels abgesehen) denen des Einfachspalts entspricht.

Doch kaum wird der Spalt enger geschraubt, beobachten wir etwas völlig Unerwartetes!

Der Durchmesser des Lichtflecks auf dem Sichtschirm nimmt nicht ab, wie wir erwarten würden, wenn wir von der Gültigkeit des Lichtstrahlenmodells ausgehen - er wird stattdessen größer! Und zu allem Überfluss wird auch noch eine Hell-Dunkel-Struktur sichtbar.

Was soll denn das? Entscheiden sich hier einige Lichtstrahlen, spurlos zu verschwinden, während ihre Nachbarn sichtbar bleiben? Und wieso weicht der Laserstrahl offensichtlich von seiner geradlinigen Ausbreitung ab?

Klar ist uns wenigstens noch, weshalb der Lichtfleck zum Schluss komplett verschwunden ist - der Spalt ist ja nun geschlossen, es fällt kein Licht mehr hindurch.

Der Einfachspalt, der zum Doppelspalt wird

Ein Experiment allein reicht natürlich nicht aus, um die Allgemeingültigkeit eines bewährten Modells völlig infrage zu stellen. Betrachten wir also ein weiteres Experiment, bei dem ein Einfachspalt durch Einbringen eines Kupferdrahtes halbiert und so zu einem Doppelspalt gemacht wird.

Abb.2

Tja, schon wieder werden unsere auf dem Lichtstrahlenmodell beruhenden Erwartungen enttäuscht!

Anstatt nach der Halbierung des Einfachspalts zwei nebeneinander liegende Lichtflecke halben Durchmessers zu sehen, sehen wir, wie beim Einbringen des Drahtes eine Hell-Dunkel-Struktur entsteht, die nahezu über die ganze Sichtschirmbreite verteilt ist.

Langsam sollten wir doch einmal über eine Erweiterung des aus der geometrischen Optik bekannten Lichtstrahlenmodells nachdenken! Es scheint für dieses offensichtlich einen begrenzten Gültigkeitsbereich zu geben.

Wie aber können wir uns die Lichtausbreitung außerhalb dieses Gültigkeitsbereichs erklären? Die Antwort auf diese Frage finden Sie in dieser Lerneinheit, in der das Wellenmodell der Lichtausbreitung vorgestellt wird. Diese knüpft dabei thematisch eng an das Lernmodul zu den mechanischen Wellen an.

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