Beugung an Spalt und Doppelspalt

Kurzbeschreibung

Zur Funktionsweise der Wellenwanne siehe Versuch1661

Die folgenden Versuche beschäftigen sich mit den Phänomenen beim Auftreffen von ebenen Wellen auf Spalten oder Hindernissen; die einzelnen Versuchsabschnitte werden demonstrieren, dass das Interferenzverhalten bei Beugung an Spalten und Hindernissen erstens dem Huygensschen Prinzip folgt, und sich des weiteren stets genauso verhält wie die Interferenzerscheinungen am „negativen“ Versuchsaufbau.

Beugung am Spalt

Betrachtet man das Auftreffen ebener Wellen auf einen Spalt so ist es notwendig, bezüglich der Breite des Spaltes zu unterscheiden: trifft die ebene Welle auf einen Spalt dessen Ausdehnung deutlich geringer ist als die Größenordnung der Wellenlänge, so kann man, anders als bei einem Spalt, der die Größenordnung der Wellenlänge deutlich überschreitet, die Interferenzen zwischen den den Spalt durchlaufenden Wellen nahezu ausschließen.

Skizze der Versuchsanordnung (Aufsicht)

Beugung am Spalt mit Durchmesser d < λ

Versuchsdurchführung / Beobachtung / Ergebnis

Nach korrekter Justierung von Wellenwanne, Planwellenerreger und den Platten, die den Spalt bilden wird eine Frequenz und Amplitude eingestellt bei der ein deutliches Wellenbild sichtbar wird.

Man beobachtet die Entstehung des Wellenmusters einer Kreiswelle hinter der Barriere, die vom Spalt ausgeht. Sendet man nur einen Impuls aus, so vermeidet man die Überlagerung von einfallender und reflektierter Welle vor der Barriere, und man erkennt, dass die vom Spalt auszugehen scheinende Kreiswelle auch in Richtung des Schiebers läuft. Zusammenfassend lässt sich die Beugung an einem schmalen Spalt auch beschreiben als eine von einem einzelnen punktförmigen Wellenerreger im Spaltzentrum ausgehende Kreiswelle – der Spalt ist demnach also Ursprung einer Elementarwelle, was genau dem Huygensschen Prinzip entspricht.

Beugung am Spalt mit Durchmesser d > λ

Versuchsdurchführung / Beobachtung / Ergebnis

Im Gegensatz zum vorherigen Fall wird nun die Spaltbreite deutlich größer gewählt als die Wellenlänge der einfallenden ebenen Welle, alle übrigen Versuchsvoraussetzungen bleiben unverändert. Man beobachtet, dass die Welle, die die Barriere verlässt, keine Kreiswelle mehr ist, sondern eine leicht elliptische Form aufweist:

Beugung am Spalt mit Durchmesser d >> λ

Vergrößert man die Spaltbreite weiter, so erkennt man jenseits der Barriere eine insbesondere mittig nahezu ebene Welle, die sich nur an den Spaltbegrenzungen etwas neigt:

Diese Vorgänge lassen sich leicht mit dem Huygensschen Prinzip erklären: die große Spaltbreite kann interpretiert werden als Aneinanderreihung unendlich vieler einzelner Ausgangspunkte von Elementarwellen, die dann interferieren und ein charakteristisches Muster ergeben.
Es sei hier angemerkt, dass das selbe Interferenzmuster, in Analogie zum Ersatz des schmalen Spaltes durch einen einzelnen Kreiswellenerreger, ebenfalls durch das Einbringen eines Hindernisses in die Wanne erreicht wird, welches die gleichen Abmessungen aufweist wie der Spalt.

Beugung am Doppelspalt

Skizze der Versuchsanordnung (Aufsicht)

Versuchsdurchführung / Beobachtung / Ergebnis

Zur Untersuchung der Beugungsphänomene am Doppelspalt bringt man drei Barrieren derart in die Wanne ein, dass sie zwei Spalten mit kleiner Ausdehnung bilden; dadurch wird vermieden, dass die Wellen überlagern, die durch einen der Spalte treten würden. Außerdem werden die Spalten gleich groß gewählt.

Es fällt auf, dass das beobachtete Interferenzmuster hinter dem Doppelspalt genau dem der Überlagerung zweier elementarer Kreiswellen entspricht; ebenso verändert sich das Interferenzmuster bei Variation der Spaltgröße oder des Spaltenabstandes genauso wie das der Überlagerung zweier Kreiswellen (beides nachzulesen bei Versuch1665).
Es lässt sich also auch hier feststellen, dass sich das Interferenzmuster des Doppelspaltes analog verhält zu seinem „Negativ“, der Überlagerung elementarer Kreiswellen; die Beugungsphänomene am Doppelspalt sind also ebenfalls im Huygensschen Prinzip begründet.

Betriebsanweisungen: Lampen, Elektrogeräte