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Interferenz (Youngscher Doppelspalt) und Beugung am Einzelspalt

Zwei kohärente Quellen (gleiche Frequenz, feste Phasendifferenz) erzeugen ein stabiles Muster aus hellen und dunklen Streifen. An einem Punkt des Schirms ist der Gangunterschied Δ = yd/D: hell, wenn Δ = nλ, dunkel, wenn Δ = (n + ½)λ. Alle Streifen sind gleich breit: β = λD/d. Ein Einzelspalt der Breite a beugt das Licht: Es entsteht ein helles Hauptmaximum der Breite 2λD/a, das erste Minimum liegt bei a sin θ = λ, daneben folgen schwächere Nebenmaxima.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Licht einer Quelle trifft auf zwei schmale Spalte, S₁ und S₂. Beide Kopien stammen aus derselben Welle, deshalb ändert sich ihre Phasendifferenz nie. Es sind kohärente Quellen.
  2. Die Wellen von S₁ und S₂ überlagern sich. Wo Wellenberg auf Wellenberg trifft, addiert sich das Licht: ein heller Streifen. Wo Berg auf Tal trifft, löschen sie sich aus: ein dunkler Streifen. Auf dem Schirm entstehen Streifen.
  3. Jetzt schieben wir einen Punkt P am Schirm nach oben. Sein Abstand zu S₂ wächst stärker als zu S₁. Ist der Wegunterschied ein ganzes Vielfaches von λ, ist P hell. Bei einem halben Vielfachen ist P dunkel.
  4. Wir ziehen die Spalte langsam auseinander (d wird größer). Die Streifen rücken näher zusammen. Die Streifenbreite β = λD/d wird kleiner.
  5. Jetzt nur ein breiterer Spalt. Das Licht breitet sich dahinter aus. Der Schirm zeigt ein breites, helles Mittelband und schwache Bänder an den Seiten. Das ist Beugung.
  6. Freies Spiel. Ändere λ, d, D und a. Probiere inkohärente Quellen aus: Die Streifen verschwinden.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum können zwei Glühbirnen keine Interferenzstreifen erzeugen?

Die Phase jeder Birne ändert sich zufällig millionenfach pro Sekunde. Das Streifenmuster springt zu schnell hin und her, daher sieht das Auge gleichmäßiges Licht. Kohärente Quellen behalten eine feste Phasendifferenz.

Warum ist die Mitte immer hell?

Die Mitte ist von S₁ und S₂ gleich weit entfernt. Die beiden Wellen kommen im Gleichtakt an (Gangunterschied null), also trifft Berg auf Berg.

Wie entscheidet der Gangunterschied, ob es hell oder dunkel ist?

Legt eine Welle ein ganzes Vielfaches der Wellenlänge mehr zurück, liegen die Wellenberge weiter übereinander (hell). Legt sie eine halbe Wellenlänge mehr zurück, trifft Berg auf Tal (dunkel).

Warum rücken die Streifen zusammen, wenn die Spalte auseinandergehen?

Bei größerem d ändert sich der Gangunterschied schneller, wenn du am Schirm nach oben gehst. Du erreichst also früher die nächste helle Stelle: β = λD/d.

Warum ist das Mittelband beim Einzelspalt so breit?

Es reicht vom ersten dunklen Band auf der einen Seite (θ = −λ/a) bis zum ersten dunklen Band auf der anderen (θ = +λ/a), ist also doppelt so breit wie die Seitenbänder.

Wohin geht das Licht an einem dunklen Streifen?

Es geht zu den hellen Streifen. Helle Streifen bekommen das 4-Fache des Lichts einer Welle, dunkle null, daher bleibt der Durchschnitt gleich.

Überlagerung und kohärente Quellen

Wenn sich zwei Wellen treffen, ist die gesamte Auslenkung an einem Punkt die Summe beider: Das ist das Superpositionsprinzip. Treffen zwei Lichtwellen der Amplitude a mit der Phasendifferenz φ zusammen, ist die Gesamtintensität I = 4I₀ cos²(φ/2).

Für ein stabiles Muster müssen die Quellen kohärent sein: gleiche Frequenz und eine konstante Phasendifferenz. Zwei getrennte Glühbirnen sind nicht kohärent – ihre Phasen ändern sich zufällig millionenfach pro Sekunde, die Streifen springen zu schnell, und der Schirm wirkt gleichmäßig hell (I = I₁ + I₂). Deshalb teilte Young das Licht einer Quelle auf zwei Spalte auf. Ein Laser liefert besonders kohärentes Licht.

Der Youngsche Doppelspaltversuch

Thomas Young (1801) ließ Licht durch einen einzelnen schmalen Spalt auf zwei nahe, parallele Spalte S₁ und S₂ (Abstand d) fallen. Ein Schirm stand im Abstand D (D ≫ d). Er sah gleichmäßig verteilte helle und dunkle Bänder, die man Streifen nennt.

Gangunterschied

Für einen Punkt P in der Höhe y über der Mitte O ist der zusätzliche Weg von S₂ gleich Δ = S₂P − S₁P ≈ yd/D.

Helle Streifen

Δ = nλ → yₙ = nλD/d (n = 0, 1, 2…). Die Mitte O (n = 0) ist immer hell.

Dunkle Streifen

Δ = (n + ½)λ → yₙ = (n + ½)λD/d.

Streifenbreite

Der Abstand zwischen zwei benachbarten hellen (oder dunklen) Streifen ist

β = λD/d

Alle Streifen sind gleich breit. Die Winkelbreite ist θ = λ/d.

Was verändert die Streifen?

Beugung am Einzelspalt

Beugung heißt, dass sich Licht an der Kante einer kleinen Öffnung oder eines Hindernisses um die Ecke biegt und ausbreitet. Man bemerkt sie, wenn die Öffnung nicht viel größer als die Wellenlänge ist.

Richte Licht auf einen schmalen Spalt der Breite a. Stell dir den Spalt als viele winzige Huygens-Quellen nebeneinander vor. Geradeaus kommen alle im Gleichtakt an: Das Hauptmaximum ist hell.

Das erste dunkle Band

Bei einem Winkel, unter dem der Gangunterschied zwischen oberem und unterem Rand λ beträgt, teilen wir den Spalt in zwei Hälften: Jeder Punkt der oberen Hälfte löscht einen Partner in der unteren Hälfte aus. Das erste Minimum liegt also bei a sin θ = λ, also θ ≈ λ/a. Minima: a sin θ = nλ.

Breite des Hauptmaximums

Es reicht von −λ/a bis +λ/a, die Winkelbreite ist also 2λ/a, und auf dem Schirm gilt

Breite des Hauptmaximums = 2λD/a

Es ist doppelt so breit wie jedes Nebenband, und die Nebenmaxima (bei a sin θ ≈ (n + ½)λ) sind viel schwächer. Ein schmalerer Spalt gibt ein breiteres Mittelband.

Interferenz und Beugung im Vergleich

InterferenzBeugung (Einzelspalt)
Wellen von zwei kohärenten Quellen überlagern sichElementarwellen aus verschiedenen Teilen eines Spalts überlagern sich
Alle Streifen sind gleich breitDas Hauptmaximum ist doppelt so breit wie die anderen
Alle hellen Streifen sind etwa gleich hellDie Helligkeit nimmt zum Rand hin schnell ab
Dunkle Streifen sind ganz dunkelMinima sind dunkel, Nebenmaxima schwach

Bei einem echten Doppelspalt passiert beides: Die Interferenzstreifen liegen innerhalb des breiten Beugungsmusters jedes Spalts.

Probier es aus: Beugung mit den Fingern sehen

Halte zwei Finger ganz dicht vor ein Auge, sodass nur ein haardünner Spalt bleibt, und schau durch ihn auf eine helle Leuchtstoffröhre. Du siehst dünne dunkle Linien entlang des Spalts – ein Beugungsmuster. Drücke den Spalt enger zusammen: Das Muster wird breiter (kleineres a, größeres 2λD/a). Überlege dir im 3D-Modell, was mit β passiert, wenn du d verdoppelst, und prüfe es dann mit dem Regler.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Beim Youngschen Versuch ist λ = 600 nm, d = 0.5 mm, D = 1 m. Berechne die Streifenbreite.

Schritt 1: β = λD/d. Schritt 2: = 600 × 10⁻⁹ × 1 / 0.5 × 10⁻³. Schritt 3: β = 1.2 × 10⁻³ m = 1.2 mm.

2. Bei demselben Aufbau (β = 1.2 mm): Wie weit liegen der 3. helle Streifen und der 2. dunkle Streifen von der Mitte entfernt?

Schritt 1: 3. heller Streifen: y = 3β = 3.6 mm. Schritt 2: 2. dunkler Streifen (n = 1): y = (1 + ½)β = 1.5 × 1.2 = 1.8 mm.

3. Die Streifenbreite beträgt 2 mm bei D = 1.2 m und d = 0.3 mm. Berechne die Wellenlänge.

Schritt 1: λ = βd/D. Schritt 2: = 2 × 10⁻³ × 0.3 × 10⁻³ / 1.2. Schritt 3: λ = 5 × 10⁻⁷ m = 500 nm.

4. Was geschieht mit β = 1.2 mm, wenn (a) D verdoppelt wird, (b) d verdoppelt wird, (c) der Aufbau in Wasser (n = 4/3) steht?

Schritt 1: β ∝ D, also (a) β = 2.4 mm. Schritt 2: β ∝ 1/d, also (b) β = 0.6 mm. Schritt 3: λ wird zu λ/n, also (c) β = 1.2 × 3/4 = 0.9 mm.

5. An einem Punkt P des Schirms beträgt der Gangunterschied 1800 nm bei Licht mit λ = 600 nm. Ist P hell oder dunkel? Und bei λ = 720 nm?

Schritt 1: 1800/600 = 3, eine ganze Zahl → hell (3. heller Streifen). Schritt 2: 1800/720 = 2.5 → halbe Zahl → dunkel.

6. Zwei kohärente Wellen mit je der Intensität I₀ treffen sich mit der Phasendifferenz π/2. Berechne die Gesamtintensität.

Schritt 1: I = 4I₀ cos²(φ/2). Schritt 2: = 4I₀ cos²(45°) = 4I₀ × ½. Schritt 3: I = 2I₀.

7. Licht mit λ = 500 nm fällt auf einen Einzelspalt der Breite 0.2 mm. Der Schirm ist 2 m entfernt. Berechne die Breite des Hauptmaximums.

Schritt 1: Breite = 2λD/a. Schritt 2: = 2 × 500 × 10⁻⁹ × 2 / 0.2 × 10⁻³. Schritt 3: = 1 × 10⁻² m = 10 mm.

8. Bei einem Einzelspaltversuch liegt das erste Minimum für rotes Licht (660 nm) bei 30°. Berechne die Spaltbreite.

Schritt 1: a sin θ = λ. Schritt 2: a = 660 nm / sin 30° = 660/0.5. Schritt 3: a = 1320 nm = 1.32 μm.

9. Zwei Wellenlängen, 650 nm und 520 nm, werden gemeinsam an einem Doppelspalt verwendet (d = 2 mm, D = 1.2 m). Berechne den kleinsten Abstand von der Mitte, an dem helle Streifen beider Farben zusammenfallen.

Schritt 1: n₁ × 650 = n₂ × 520 → n₁/n₂ = 4/5. Schritt 2: kleinstes y = 4 × 650 × 10⁻⁹ × 1.2 / 2 × 10⁻³. Schritt 3: y = 1.56 × 10⁻³ m = 1.56 mm.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die Streifenbreite beim Youngschen Doppelspaltversuch ist:
2. Kohärente Quellen müssen haben:
3. Ein dunkler Streifen entsteht, wo der Gangunterschied gleich ist:
4. Die Breite des Hauptmaximums bei der Beugung am Einzelspalt ist:
5. Wird der Spaltabstand d halbiert, dann ist die Streifenbreite:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Wie lautet die Formel für die Streifenbreite?

β = λD/d, wobei λ die Wellenlänge ist, D der Abstand zwischen Spalt und Schirm und d der Abstand der beiden Spalte.

Was sind kohärente Quellen?

Quellen, die Licht gleicher Frequenz mit konstanter Phasendifferenz aussenden. In der Praxis erzeugt man sie, indem man das Licht einer Quelle aufteilt, wie beim Youngschen Doppelspalt.

Wie breit ist das Hauptmaximum bei der Beugung am Einzelspalt?

2λD/a auf dem Schirm (Winkelbreite 2λ/a), wobei a die Spaltbreite ist. Es ist doppelt so breit wie die anderen Maxima.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 12E. The Wave Nature of Light
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Optional domains (choose two)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIWaves and optics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVWaves and optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
Ukraine11 класOptics
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Optics
England (GCSE, A level)Year 123.3 Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 2학년Light and communication
South Korea고등학교 2학년Light and matter
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
South Korea고등학교 3학년Waves and properties of matter
FranceTerminaleWaves and signals
FranceTerminalePhysics complement
Russia9 классElectromagnetic field and waves
Russia11 классOptics
Russia11 классOptics
China高二Selective 1 Ch.3 Mechanical waves
China高二Selective 1 Ch.4 Light

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