Lichtbeugung
Der Begriff Beugung beschreibt das Phänomen der Wechselwirkung von Wellen mit Teilchen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Beugung von Lichtwellen und erläutert diese anhand von Beispielen und Gleichungen.
Was ist Beugung?
Meist stellen wir uns vor, dass sich Licht immer in geraden Linien bewegt. Wenn jedoch Lichtwellen auf ein Hindernis stoßen, neigen sie dazu, sich um dieses Hindernis herum zu beugen und sich auszubreiten. Unter Beugung versteht man die Ausbreitung von Wellen beim Passieren oder Umgehen eines Hindernisses. Im Zusammenhang mit Licht tritt eine Beugung auf, wenn eine Lichtwelle auf eine Kante trifft oder eine Öffnung oder einen Spalt passiert, der physikalisch gesehen ungefähr die gleiche Größe hat wie die Wellenlänge des Lichts oder sogar noch kleiner ist als diese.
Beispiele für die Beugung von Licht
Die Beugung von Wellen ist sehr einfach erkennbar, wenn man die Hand vor eine Lichtquelle hält, langsam zwei Finger schließt und dabei das zwischen ihnen durchscheinende Licht beobachtet. Wenn sich die Finger einander nähern und fast geschlossen sind, sind mehrere dunkle Linien zu sehen, die parallel zu den Fingern verlaufen. Die parallelen Linien sind Beugungsmuster. Dieses Phänomen kann auch auftreten, wenn Licht um Teilchen „gebeugt“ wird, deren Größe etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht. Ein gutes Beispiel dafür ist die Beugung des Sonnenlichts durch Wolken.
Abbildung 1: Lichtbeugung an Wolken
Abbildung 2: Lichtbeugung an Wassertropfen
Was ist der Unterschied zwischen Beugung und Streuung?
Die Begriffe Beugung und Streuung werden häufig synonym verwendet und haben nahezu die gleiche Bedeutung. Beugung beschreibt einen Spezialfall der Lichtstreuung, bei dem ein Objekt mit sich regelmäßig wiederholenden Merkmalen (z. B. ein Beugungsgitter) eine geordnete Beugung des Lichts in einem Beugungsmuster erzeugt.
Experiment zur optischen Beugung am Einzelspalt
Ein grundlegendes Experiment zur Beugung von Lichtwellen ist das Experiment zur optischen Beugung am Einzelspalt. Es zeigt, wie sich eine kohärente monochromatische Welle, wie von einem Laser erzeugtes Licht, bei der Passage durch eine Öffnung ausbreitet.
Abbildung 3: Beugung von Laserlicht
In diesem Experiment zeigt sich ein helles Maximum in der Mitte, flankiert von Nebenmaxima, wobei die Intensität mit der Entfernung abnimmt. Die Minima zwischen den Nebenmaxima liegen bei Vielfachen von π.
Abbildung 4: Intensitätsverteilung gebeugter Lichtstrahlen
Die Beugung des Lichts beeinflusst das Auflösungsvermögen optischer Instrumente wie Mikroskope oder Kameras.
Tutorial zur Lichtbeugung
Erfahren Sie, wie ein Lichtstrahl gebrochen wird, wenn er durch einen schmalen Spalt oder eine Öffnung fällt. Beobachten Sie, welche Auswirkung eine Veränderung der Wellenlänge und der Größe der Öffnung auf das Beugungsintensitätsmuster hat.
Gleichungen für die Beugung an einer kreisförmigen Öffnung
Optische Instrumente besitzen kreisförmige Öffnungen, die Beugungsmuster mit kreisförmiger Symmetrie erzeugen. Dies wird durch folgende Gleichung beschrieben:
Der Mindestabstand zwischen zwei Objekten, um sie getrennt zu sehen, kann aus folgender Gleichung abgeleitet werden: