7.3: Interferenz und Beugung

Interferenz ist ein charakteristisches Phänomen von Wellen. Wenn zwei elektromagnetische Wellen interagieren und ihre Spitzen und Tiefen zusammenfallen, resultiert daraus eine Welle mit erhöhter Amplitude. Dies wird als konstruktive Interferenz bezeichnet. In diesem Fall sind die beiden Wellen, die miteinander interagieren in Phase.

Wenn alternativ die beiden Wellen zusammenfallen und so interagieren, dass der Tiefpunkt der einen Welle mit dem Höhepunkt der anderen zusammenfällt (phasenverschoben), weist die resultierende Welle eine viel geringere Amplitude auf. Dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet.

Wellen zeigen auch ein charakteristisches Verhalten das als Beugung bezeichnet wird. Wenn ein Lichtstrahl durch einen Spalt geht, dessen Größe mit der Wellenlänge des einfallenden Strahls vergleichbar ist, wird der Strahl um den Spalt herum gebeugt. Im Gegensatz dazu treten Partikel einfach durch die Öffnung aus, wenn ein Partikelstrom durch einen Schlitz geleitet wird.

Wenn ein Lichtstrahl durch ein Paar eng beieinander liegender Schlitze hindurchtritt, die durch einen mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbaren Abstand voneinander getrennt sind, entstehen durch den Beugungsprozess an jedem Schlitz kreisförmige Wellenmuster. Die beiden Wellen interferieren miteinander, so dass auf einem in geringem Abstand hinter den Schlitzen platzierten Schirm ein Interferenzmuster mit abwechselnd dunklen und hellen Linien abgebildet wird.

Die helle Linie wird in der Mitte des platzierten Schirms erzeugt, wenn die beiden Wellen die gleiche Distanz zurücklegen um diesen Punkt zu erreichen und dort konstruktiv interferieren. Wenn sich die beiden Wellen in beide Richtungen nur eine kurze Distanz vom Zentrum entfernen, legen sie leicht unterschiedliche Distanzen zurück. Sie sind phasenverschoben. Wenn der Unterschied in ihren zurückgelegten Entfernungen genau die Hälfte der Wellenlänge beträgt, treffen sie aufeinander und erzeugen destruktive Interferenz. Die dunklen Regionen entsprechen Regionen, in denen die Spitzen der Welle aus einem Spalt mit den Wellentälern der Welle aus dem anderen Spalt zusammenfallen (destruktive Interferenz), während die hellsten Regionen den Regionen entsprechen, in denen die Spitzen der beiden Wellen (bzw ihre beiden Tiefpunkte) zusammenfallen (konstruktive Interferenz). Das Beugungsmuster ist eine inhärente Eigenschaft von Wellen und liefert überzeugende Beweise für die Wellennatur von Licht.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.

Eine einzigartige Eigenschaft von Wellen ist, dass wenn sie in Kontakt miteinander kommen, interagieren sie auf eine solche Weise, dass die resultierende Welle entweder eine erhöhte oder verminderte Amplitude hat. Dieses Phänomen wird als Interferenz bezeichnet. Wenn die Wellenkämme zweier Wellen gleich ausgerichtet sind, sind sie in Phase"Wenn diese Wellen interagieren, addieren sich ihre Amplituden und es wird eine Welle mit erhöhter Amplitude erzeugt.

Dies ist eine konstruktive Interferenz. Wenn sich die beiden Wellen nicht gleich ausrichten so dass ihre Wellenkämme in entgegengesetzten Richtungen sind sind sie phasenverschoben"In diesem Fall hat die resultierende Welle eine geringere Amplitude. Das ist destruktive Interferenz.

Wenn der Trog einer Welle sich vollständig mit dem Kamm des anderen überschneidet, heben sich die Wellen gegenseitig auf. Beugung ist ein weiteres charakteristisches Verhalten von Wellen. Stellen Sie sich die Welle von von oben vor so dass die Scheitelpunkte durch vertikale Linien dargestellt werden und stellen Sie sich vor, dass es auf eine Barriere mit einer schmalen Öffnung zusteuert.

Die Öffnung in der Barriere hat eine ähnliche Größe wie die Wellenlänge. Wenn die Welle durchläuft, biegt sie sich um die Ecken der Öffnung und breitet sich in verschiedene Richtungen aus. Aber wie verhalten sich Wellen, wenn es zwei oder mehr Öffnungen in der Barriere gibt?

Dies kann mit Hilfe einer Lichtquelle beobachtet werden. Wenn Licht emittiert wird, passiert die Welle durch das Paar eng benachbarter Schlitze, und es entstehen zwei gebeugte Wellen. Diese Wellen interferieren miteinander, um ein Muster zu erzeugen.

Wenn die beiden Wellen die gleiche Distanz zurücklegen, vereinen sie sich konstruktiv. Dies wird durch das Auftreten einer hellen Linie beobachtet. Ein wenig entfernt vom Zentrum, in beide Richtungen, legt die eine Welle eine etwas längere Strecke zurück als die andere und sie werden phasenverschoben"Diese destruktive Interferenz erzeugt eine dunkle Region.

Abhängig von den Wellen zurückgelegte Entfernung, wird ein Interferenzmuster von abwechselnd hellen und dunklen Linien gebildet. Dieser Doppelspaltversuch demonstriert die Wellennatur des Lichts.