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Licht als Welle

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Licht als Welle

Was ist Licht? Über diese Frage spalten sich seit Jahrhunderten die Geister. Eine mögliche Antwort auf dieses Problem fand der Physiker Thomas Young im Jahr 1802, als er mithilfe des Doppelspaltexperiments die Eigenschaften von Licht als Welle beschrieb.

Circa hundert Jahre später deutete Albert Einstein den Photoeffekt als Beweis für die Existenz von Lichtquanten, den Photonen, und belegte so wiederum den Teilchencharakter. Heute ist der allgemeine Konsens unter Physikern, dass beide recht hatten. Aber wie kann das denn sein?

Lichtwellen Eigenschaften

Tatsächlich kann Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden. Diese Eigenschaft ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt. Licht wird allein in der Quantenelektrodynamik, also einem recht komplexen und modernen Zweig der Physik, erst vollständig beschrieben.

Dennoch bietet es sich in vielen Fällen an, Licht nur als Welle zu betrachten. Dies ist zum Beispiel in der Wellenoptik der Fall, wenn Phänomene auftreten, die mithilfe der klassischen Physik nicht erklärt werden können.

Eine der Grundlagen für diese Erklärungen stellt das Huygenssche Prinzip dar.

Huygenssches Prinzip

Das Huygens Prinzip, benannt nach dem niederländischen Physiker Christiaan Huygens, beschreibt die Ausbreitung von Wellen.

Das Huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Welle den Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle darstellt. Die Elementarwelle breitet sich mit gleicher Frequenz und Geschwindigkeit wie die ursprüngliche Welle aus.

Diese Regel beschränkt sich jedoch nicht nur auf Lichtwellen, sondern lässt sich auch im Alltag verifizieren.

Wenn Du mehr zu diesem Thema erfahren möchtest, kannst Du in die Erklärung zum Huygensschen Prinzip hereinschauen.

Betrachtest Du zum Beispiel im Schwimmbad eine ebene Welle, die auf ein Hindernis mit kleinem Spalt trifft, bildet sich hinter dem Hindernis eine Kreiswelle (die Elementarwelle). Diese breitet sich von der Öffnung aus.

Dieser Prozess kann auch auf einer größeren Skala betrachtet werden, wie zum Beispiel am Strand, wenn eine Wellenfront auf Felsen trifft.

Insbesondere gehorchen auch Lichtwellen dem Huygensschen Prinzip. Dies ist jedoch nicht die einzige wesentliche Eigenschaft von Lichtwellen.

Polarisation

Eine weitere Eigenschaft von Lichtwellen ist die Polarisation. Diese bestätigt, dass Licht als Transversalwelle aufgefasst werden kann.

Die Polarisation beschreibt die Richtung der Schwingung einer Transversalwelle, also unter anderem auch Licht.

Eine Transversalwelle ist eine Welle, bei der der Schwingungsvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht.

In Abbildung 2 wird ein Fall von Polarisation dargestellt: Sowohl die rote als auch die blaue Welle breitet sich in x-Richtung aus, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer Schwingungsrichtung.

Aus dieser Erscheinung folgt, dass Licht als Welle abhängig von seiner Schwingungsrichtung ein Gitter passieren kann oder nicht. Eine Anwendung dieses Phänomens ist der Polarisationsfilter, wie er oft in der Fotografie eingesetzt wird.

Mehr zur Polarisation erfährst Du in der dazugehörigen Erklärung.

Die Tatsache, dass solche Geräte existieren und auch in ihrer Anwendung funktionieren, verifiziert als eines von vielen Beispielen die Wellennatur von Licht.

Aber wie genau sieht denn nun eine Lichtwelle aus?

Lichtwellen Definition

Eine allgemeine Definition für Lichtwellen folgt aus den Maxwell Gleichungen. Sie sagen die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus und auch, dass diese sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Daraus folgte für Physiker, dass Licht auch eine Form elektromagnetischer Wellen sein muss.

Licht kann allgemein als elektromagnetische Welle aufgefasst werden. Dieses breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, also mit etwa im Vakuum.

Eine Lichtwelle kann dabei ganz analog zu anderen Wellen, wie zum Beispiel mechanischen Wellen oder Schallwellen beschrieben werden, nämlich mithilfe charakteristischer Größen. Diese sind unter anderem Wellenlänge, Frequenz und Amplitude.

Zusammengefasst werden die charakteristischen Größen in der Wellengleichung.

Die Wellengleichung beschreibt die momentane Auslenkung der Welle am Ort x nach einer Zeit t.

Im Allgemeinen hat sie folgende Form:

Licht als Welle Wellengleichung StudySmarter .

Dabei entspricht y der momentanen Auslenkung, der maximalen Auslenkung (Amplitude), λ der Wellenlänge und T der Periode.

Betrachtest Du speziell eine Lichtwelle, so entspricht die Amplitude der Intensität, also Helligkeit des Lichts.

Die Wellenlänge entspricht dem räumlichen Abstand zweier Wellenberge. Sie kann beispielsweise aus einem Diagramm abgelesen werden, bei dem man die Welle zu einem festen Zeitpunkt darstellt.

Licht als Welle Diagramm StudySmarterAbbildung 3: Darstellung einer Welle bei festem Zeitpunkt

Hier wird also die Auslenkung y der Welle gegen die Position x aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist auch die Einheit der Wellenlänge zu erkennen, nämlich Meter, also gilt .

Die Periode T beschreibt ganz analog den zeitlichen Abstand zweier Maxima einer Welle.

Licht als Welle Diagramm StudySmarterAbbildung 4: Darstellung einer Welle an einem festen Ort

Bei einem Diagramm wie in Abbildung 4 wird die Auslenkung y gegen die Zeit t aufgetragen, und zwar an einer festen Position.

Lichtwellen Frequenz

Für Lichtwellen besteht zwischen der Wellenlänge λ und Frequenz f, die der Kehrwert der Periode ist, ein besonderer physikalischer Zusammenhang.

Die Frequenz f ist definiert als der Kehrwert der Periode T einer Welle und damit

Licht als Welle Frequenz StudySmarter.

Angegeben wird die Frequenz in Hertz, abgekürzt .

Es gilt

.

Dabei ist f die Frequenz und c die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich alle Lichtwellen ausbreiten. Weil diese für alle Lichtwellen konstant ist, kann zum Beispiel die Frequenz berechnet werden, sofern die Wellenlänge der Welle bekannt ist.

Dennoch lässt sich nicht nur die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit anhand von Wellenlänge und Frequenz überprüfen. Diese Größen definieren auch andere Eigenschaften des Lichts, die mit bloßem Auge in Form von Farben wahrzunehmen sind.

Lichtwellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen. Zu diesem Spektrum gehören auch beispielsweise Radio- oder Mikrowellen.

Eine wesentliche Eigenschaft von Lichtwellen ist, - im Gegensatz zu anderen elektromagnetischen Wellen - dass sie sichtbar sind. Damit macht Licht den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums aus.

Beispielsweise kannst Du so einen Laserstahl oder auch das Sonnenlicht wahrnehmen und ihnen in den meisten Fällen eine Farbe zuordnen.

Aber wie genau hängt nun die Farbe mit der Frequenz zusammen?

Lichtwellen Farben

Die Frequenz des Lichts gibt gerade vor, welche Farbe dieses Licht hat. Das sichtbare Licht befindet sich in einem Frequenzbereich von etwa bis .

Die Frequenz, beziehungsweise die Wellenlänge von Licht, legt dessen Farbe fest. Die Gesamtheit der Farben, die der Mensch wahrnehmen kann, wird Farbspektrum genannt.

Da die Frequenz aber nicht besonders anschaulich ist, ist es in der Physik üblich, die Farbe über die Wellenlänge auszudrücken. Diese erhältst Du aus der obigen Formel, indem Du nach λ umstellst, also

Licht als Welle Wellenlänge StudySmarter.

So folgt für blaues Licht eine Wellenlänge von 460 nm. Diese Größe ist sehr klein. Betrachtest Du zum Beispiel den Durchmesser eines menschlichen Haars, der etwa bei 0,06 mm liegt, so ist die durchschnittliche Wellenlänge von Licht etwa 120 Mal kleiner.

Eine Abhängigkeit zwischen Farbe und Wellenlänge im Speziellen findest du in der folgenden Abbildung.

Werden alle diese Farben auf einmal betrachtet, scheint das Licht farblos zu sein, wie es bei Sonnenlicht der Fall ist. Diese Erscheinung ist als weißes Licht bekannt.

Diese Darstellung des Spektrums kannst Du zum Beispiel nutzen, um die Farbe eines Lasers, dessen Wellenlänge Du kennst, abzuschätzen.

Aufgabe:

Für ein Experiment wird ein Laser mit der Frequenz verwendet. Welche Farbe hat das Licht, das vom Laser emittiert wird?

Lösung:

Um die Farbe des Lichts zu bestimmen, musst Du zuerst die Wellenlänge berechnen. Dafür kannst Du die obige Formel nutzen und die Werte für f und c einsetzen.

Aus Abbildung 5 kannst Du nun ablesen, dass eine Wellenlänge von etwa 600 nm orangefarbenem Licht entspricht.

Das linke Ende des Spektrums ist der UV Bereich, kurz für ultravioletter Bereich. Am rechten Ende ist der Infrarot-Bereich. Obwohl beide Bereiche für Menschen nicht mehr sichtbar sind, haben sie trotzdem Auswirkungen auf Individuen und die Umwelt.

So ist zum Beispiel UV-Licht, dessen Quelle die Sonne ist, dafür verantwortlich, dass viele Personen im Sommer braun werden oder sogar einen Sonnenbrand bekommen.

Obwohl als Licht der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet wird, spricht man auch bei ultravioletter oder infraroter Strahlung von Licht.

Aber warum hat dieses Licht Effekte auf Menschen, wenn man es doch gar nicht wahrnehmen kann?

Lichtwellen Energie

Eine Antwort auf diese Frage, warum oft nur die Wirkung von Licht und nicht dieses selbst wahrgenommen wird, lässt sich nicht mehr im Wellenmodell von Licht finden.

Licht kann sowohl als Welle als auch als Teilchen beschrieben werden. In der Quantenmechanik wird demnach Licht als Teilchen dargestellt, dem gleichzeitig eine Wellenlänge zugeordnet werden kann.

Ein Lichtteilchen wird in der Quantenmechanik Photon genannt. Diesem werden eine Wellenlänge λ und eine Frequenz f zugeordnet.

Die Energie E eines einzelnen Photons ist gegeben durch das Produkt aus dem planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz f:

Licht als Welle Energie StudySmarter

Möchtest Du mehr zu Photonen in der Quantenmechanik erfahren? Dann schau doch in die Erklärung zum Quantenobjekt Photon rein.

Die Formel wurde von Albert Einstein zur Erklärung des Photoeffekts aufgestellt, mehr dazu kannst Du in der gleichnamigen Erklärung lesen.

Je größer also die Frequenz ist, desto größer ist auch die Energie. Weil die Wellenlänge antiproportional zur Frequenz ist, gilt für diese: je kleiner die Wellenlänge, desto größer ist die Energie.

Menschen können ultraviolettes Licht nicht selbst wahrnehmen, allerdings dessen Energie, die eine Wirkung auf den Körper hat, zum Beispiel bei einem Sonnenbrand. Wegen der kurzen Wellenlänge hat ultraviolettes Licht eine besonders hohe Energie, die im Extremfall auch zu Hautkrebs führen kann.

Die Energie von Licht kann aber auch positiv genutzt werden: Beispielsweise wird sie mithilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt.

Dennoch sind die Eigenschaften von Licht nicht nur in der Energieindustrie Technik von Bedeutung, sondern bieten in der Experimentalphysik Grundlagen für viele aufschlussreiche Experimente.

Interferenzexperimente

Neben den Eigenschaften von Lichtwellen, die Du bereits in den oberen Abschnitten kennengelernt hast, stehen im Zentrum vieler physikalischer Experimente andere Eigenarten.

So ist zwar die Polarisation eine Bestätigung der Wellennatur von Licht, aber Beweise wurden durch zwei andere Eigenschaften geführt, nämlich Beugung und Interferenz.

Interferenz beschreibt die Überlagerung von Wellen. Unterschieden wird dabei zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz.

Bei konstruktiver Interferenz treffen zwei Wellenberge oder zwei Wellentäler aufeinander. Das bedeutet, die Wellen verstärken sich gegenseitig.

Die destruktive Interferenz beschreibt das Gegenteil: Hier treffen Wellenberg und Wellental aufeinander. Dort schwächen sich die Wellen ab oder löschen sich aus.

Mehr zum Thema Interferenz erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.

Eine wichtige Voraussetzung für das Auftreten von Interferenz ist eine spezifischere Eigenschaft von Licht, die aber nicht im Allgemeinen von allen Lichtwellen erfüllt werden muss.

Kohärenz

Damit Interferenz stattfinden kann, müssen die Lichtwellen bestimmte Gemeinsamkeiten haben. Diese werden mithilfe des Kohärenzbegriffs erklärt.

Sind zwei Wellen kohärent, bedeutet das, sie haben die gleiche Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dabei unterscheiden sie sich nur in einer konstanten Phase.

Die Phase beschreibt dabei den Abschnitt innerhalb einer Periode, in dem sich die Welle gerade befindet.

Diese Eigenschaft wird besonders häufig in der Laseroptik und sogar zur Erstellung von Hologrammen benutzt.

Möchtest Du mehr zum Thema Kohärenz erfahren? Dann schau doch in die dazugehörige Erklärung herein.

Eine wichtige Grundlage stellt sie jedoch für das Doppelspaltexperiment dar, mit dem der Physiker Thomas Young erstmals die Welleneigenschaft von Licht nachwies.

Interferenz am Doppelspalt

Der Aufbau des Doppelspaltexperiments ist zunächst recht unspektakulär: Kohärentes Licht wird auf zwei eng benachbarte, dünne Spalte gestrahlt. In einiger Entfernung hinter dem Spalt wird nun ein Schirm platziert, auf dem bei richtiger Anordnung ein Muster zu erkennen sein sollte.

Dieses Muster ist als Interferenzmuster bekannt und zeichnet sich durch abwechselnd helle und dunkle Bereiche aus.

Grund hierfür sind die konstruktive und destruktive Interferenz: An den hellen Stellen treffen zwei Wellenberge aufeinander, wodurch sich die Wellen verstärken. An den dunklen Stellen treffen Wellenberg und Wellental aufeinander, sodass die Welle abgeschwächt wird.

Die Bereiche sind auch als Interferenzmaxima und -minima bekannt.

Wie Du diese berechnen kannst und wie sie mit der Wellenlänge des Lichts zusammenhängen, erfährst du in der Erklärung Interferenz am Doppelspalt.

Werden nun immer mehr Spalte hinzugefügt, geht der sogenannte Mehrfachspalt in ein Gitter über.

Optisches Gitter

Das optische Gitter stellt umgangssprachlich gesagt den großen Bruder des Doppelspalts dar.

Ein Gitter ist in der Physik eine periodische Struktur, hinter der Licht interferiert.

Beim optischen Gitter ist der Versuchsaufbau ähnlich zu dem des Doppelspaltexperiments. Der Unterschied ist dabei, dass statt dem Doppelspalt ein Gitter eingesetzt wird.

Auch auf dem Schirm ist wieder ein Interferenzmuster zu beobachtet. Dort sind jedoch deutlich mehr und intensivere Maxima zu erkennen als beim Doppelspalt.

Ein weiterer Spezialfall des Doppelspalts oder Gitters ist der Einzelspalt.

Beugung am Einzelspalt

Wie der Name der Anordnung verrät, wird hier statt eines Mehrfachspaltes ein Einzelspalt eingesetzt. Der Rest des Versuchsaufbaus ist jedoch gleich.

Obwohl auch hier ein Interferenzmuster erkennbar ist, steht im Zentrum dieses Versuchs die Beugung.

Beugung beschreibt die Ablenkung von Licht an einem Hindernis. Dadurch breitet es sich in Raumbereiche aus, die eigentlich vom Hindernis versperrt werden.

Diese Erscheinung ist ein direktes Resultat des Huygensschen Prinzips.

Beim Einzelspaltexperiment ist das durch Beugung entstehende Interferenzmuster zwar auch zu beobachten, aber deutlich schwächer als beim Doppelspalt oder Gitter. Besonders nach außen hin wird die Intensität der Maxima geringer.

Möchtest Du mehr zum Optischen Gitter oder der Beugung am Einzelspalt erfahren? Dann schau doch in die dazugehörigen Erklärungen hinein.

Dennoch tritt Interferenz nicht nur an Spalten oder anderen periodischen Strukturen auf, sondern auch an anderen Objekten.

Interferenz an dünnen Schichten

Im Gegensatz zu den obigen Interferenzerscheinungen liegt hier kein besonderer Versuchsaufbau vor. Interferenz an dünnen Schichten kannst Du nämlich an vielen Stellen im Alltag beobachten.

Vielleicht ist Dir schon aufgefallen, dass Seifenblasen oder CDs je nach Betrachtungswinkel scheinbar ihre Farbe ändern, oder auch dünne Ölfilme auf der Straße.

Bei all diesen Objekten handelt es sich um dünne Schichten, an denen Interferenz beobachtet werden kann. Die Interferenz resultiert hierbei aus der partiellen Reflexion des Lichts. Die reflektierten Lichtstrahlen, die ja auch Wellen sind, können dann miteinander interferieren.

Im Endeffekt nimmst Du dann gerade die Mischung der Lichtfarben wahr, die nicht durch destruktive Interferenz ausgelöscht wird. Bei der Farbe handelt es sich dann jeweils um die Komplementärfarbe des ausgelöschten Farbtons.

Licht als Welle - Das Wichtigste

  • Licht wird in der Physik als elektromagnetische Welle aufgefasst, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
  • Die Bewegung einer Lichtwelle wird mithilfe der Wellengleichung ausgedrückt. Diese gibt die Auslenkung y der Welle in Abhängigkeit von Ort und Zeit an:

  • Frequenz und Wellenlänge sind voneinander abhängig und legen die Farbe der Lichtwelle fest. Mathematisch sind sie über die folgende Formel verknüpft:

  • Die Gesamtheit aller sichtbaren Lichtwellen wird sichtbares Spektrum genannt. Hier liegen Wellenlängen von etwa 430 nm bis 690 nm vor.
  • Die wichtigsten Eigenschaften von Licht als Welle sind:
    • Polarisation: Die Schwingungsrichtung einer Welle wird Polarisation genannt.
    • Kohärenz: Zwei Wellen mit gleicher Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheiden sich nur um eine konstante Phase.
    • Beugung: Eine Welle wird an einem Hindernis abgelenkt und breitet sich auch in Raumbereiche aus, die eigentlich vom Hindernis versperrt werden.
    • Interferenz: Zwei Wellen können sich überlagern und sich dadurch verstärken oder abschwächen. Das Verstärken ist als konstruktive Interferenz bekannt, während das Abschwächen als destruktive Interferenz verstanden wird.
  • Die Energie E des Lichts berechnest Du mit folgender Formel:

  • Je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist, desto größer ist ihre Energie.
  • Wichtige Interferenzexperimente, bei denen die Welleneigenschaften von Licht nachgewiesen werden, sind:
    • Das Doppelspaltexperiment
    • Das Einzelspaltexperiment
    • Das optische Gitter
    • Interferenz an dünnen Schichten

Häufig gestellte Fragen zum Thema Licht als Welle

Licht verhält sich in einigen Situationen wie eine Welle, in anderen wie ein Teilchen. Diese Eigenschaft ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt.

Bei einer Lichtwelle wird ein Photon mit einer Wellenlänge und Frequenz betrachtet, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Licht kann sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden. Licht selbst ist elektromagnetische Strahlung.

Ein Lichtteilchen ist ein Photon.

Finales Licht als Welle Quiz

Frage

Was ist eine physikalische Definition der Kohärenz? 

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Antwort

In der Physik beschreibt die Kohärenz die Eigenschaft von Wellen im dynamischen Verlauf einer gemeinsamen festen Regel zu folgen.

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Frage

Wie lässt sich die Kohärenz zunächst ganz allgemein definieren? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ganz allgemein kann man sagen, dass die Kohärenz einen definierten Phasenzusammenhang zwischen Zuständen verschiedener Energie oder zwischen mehreren Quasiteilchen bezeichnet.

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Frage

Welche Wellen können zueinander kohärent sein? 

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Antwort

Sämtliche physikalische Wellen wie Lichtwellen, Radarwellen, Schallwellen oder Wasserwellen können auf eine bestimmte Weise kohärent zu anderen Wellen sein. Außerdem ist es möglich, dass nur Kohärenz zwischen entsprechenden Teilwellen besteht. 

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Frage

Auf was deutet das Vorhandensein von Kohärenz oftmals hin? 

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Antwort

Das Vorhandensein von Kohärenz deutet oftmals auf eine gemeinsame Entstehungsgeschichte der Wellen hin. Wenn also bei der Wellenerzeugung derselbe ursächliche Mechanismus zu Grunde lag, können gleichbleibende Schwingungsmuster im Wellenzug entstehen. Bei einem späteren Vergleich von Teilwellen können diese Schwingungsmuster sichtbar gemacht werden.

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Frage

Wann sind zwei periodische Wellen kohärent? 

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Antwort

Periodische Wellen sind einfache Fälle. Bei ihnen sind zwei Teilwellen kohärent, wenn eine feste Phasenbeziehung zueinander besteht. Diese Phasenbeziehung bedeutet in der Optik häufig eine gleich bleibende Differenz zwischen den Phasen der Schwingungsperiode. 

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Frage

Woran erkennt man eine besonders deutliche Form der Kohärenz? 

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Antwort

Eine besonders deutliche Form der Kohärenz liegt vor, wenn bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenzerscheinungen sichtbar werden.


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Frage

Was sind Interferenzerscheinungen? 

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Antwort

Interferenzerscheinungen sind durch die Interferenz des Lichtes entstehende Erscheinungen, die sehr unterschiedlich auftreten können. Je nach Art, Form, Anzahl und gegenseitiger Lage der beteiligten optischen Medien handelt es sich um Flecken, regelmäßige Figuren, Streifen, Ringe, Kurven oder Sonstiges.

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Frage

Was zeigt das Auftreten von stationären Interferenzerscheinungen bei der Überlagerung von Wellen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Das Auftreten von stationären, räumlich und zeitlich unveränderlichen Interferenzerscheinungen bei der Überlagerung der Wellen zeigt, dass die Wellenamplituden zweier Wellen direkt miteinander korrelieren.

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Frage

Es treten bei der Überlagerung von Wellen keine Interferenzerscheinungen auf. Was ist nötig, um dennoch Kohärenz bei Wellen nachzuweisen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Sind keine Interferenzerscheinungen sichtbar, so ist ein technisch höherer Aufwand oder eine kompliziertere mathematische Betrachtung des Wellenverlaufs nötig, um eine Kohärenz in den Wellen nachzuweisen. 

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Frage

Welche fünf verschiedene Arten der Kohärenz gibt es? 

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Antwort

Es gibt die vollständige Kohärenz, die partielle Kohärenz und die Inkohärenz. Außerdem wir zwischen der räumlichen und zeitlichen Kohärenz unterschieden. 

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Frage

Was ist die vollständige Kohärenz? 

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Antwort

Teilwellen, die sich an einem festen Ort zu einer bestimmten zeitlich gemittelten Intensität überlagern können sich abhängig von der Phasenbeziehung verstärken beziehungsweise auslöschen. Wenn das passiert, liegt eine vollständige Kohärenz vor.

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Frage

Was ist die partielle Kohärenz? 

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Antwort

Bei einer partiellen Kohärenz schwächen sich die Teilwellen nur wenig ab oder verstärken sich nur leicht. 

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Frage

Was ist die Inkohärenz? 

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Antwort

Wenn sich die Teilwellen zu einer mittleren Intensität ausgleichen, nennt man das Inkohärenz. Das Phänomen bedeutet also die Abwesenheit einer definierten Phasenbeziehung. Insbesondere liegt Inkohärenz bei unterschiedlichen Frequenzen vor, wenn alle Phasendifferenzen gleich häufig vorkommen und dadurch keine konstruktive oder destruktive Interferenz möglich ist.

  

Frage anzeigen

Frage

Was ist die zeitliche Kohärenz? 

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Antwort

Zeitliche Kohärenz liegt vor, wenn entlang der Zeitachse eine feste Phasendifferenz besteht.

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Frage

Wie kann zeitliche Kohärenz gemessen werden? 

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Antwort

Die Kohärenzzeit beziehungsweise die Kohärenzlänge einer Lichtwelle lässt sich messen, indem man diese zwei Teilstrahlen aufteilt und sie später wieder vereint. Mit bestimmten Interferometern ist dies möglich. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die räumliche Kohärenz? 

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Antwort

Räumliche Kohärenz hingegen liegt dann vor, wenn entlang einer Raumachse eine feste Phasendifferenz besteht.

Frage anzeigen

Frage

Wie kann räumliche Kohärenz gemessen werden?= 

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Antwort

Ähnlich wie bei der zeitlichen Kohärenz kann die räumliche Kohärenz durch Messung eines Interferometers, das empfindlich auf die räumliche Kohärenz ist. Hierbei wird der Kontrastes eines Interferenzmusters angeschaut. 

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Frage

In welchen Bereichen der Physik spielt die Kohärenz eine Rolle? 

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Antwort

Kohärenz spielt eine Rolle in allen Bereichen der Physik, in denen Interferenzen beobachtet werden können. Insbesondere in der Laseroptik, der Spektroskopie und der Interferometrie ist die Kohärenz ein wichtiger Bestandteil.

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Frage

Warum spielt die Kohärenz vor allem in der Lasertechnik eine große Rolle? 

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Antwort

Vor Allem in der Lasertechnik ist es möglich von einzelnen Photonen zahlreiche Kopien mit zusammenhängender Entstehungsgeschichte zu erzeugen. Aus diesem Grund hat die Kohärenz auch eine große Bedeutung in den Anwendungsbereichen der Lasertechnik. Zum Beispiel ist die Kohärenz wichtig bei der Erstellung von Hologrammen, bei der Quantenkryptographie oder der Signalverarbeitung. 

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Frage

Was sind Interferometer? 

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Antwort

Interferometer sind Geräte, mit denen man Längenunterschiede sehr genau bestimmen kann. Man benutzt dabei die Wellenlänge des Lichts als Maßeinheit, indem man den Gangunterschied auf zwei zu vergleichenden Wegen bestimmt. 

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Frage

Was versteht man im Allgemeinen unter Beugung? 

Antwort anzeigen

Antwort

Im Allgemeinen versteht man unter Beugung die Ablenkung von Wellen an einem Hindernis.

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Frage

Wie kann man die Beugung noch nennen? 

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Antwort

Die Beugung wird manchmal auch als Diffraktion bezeichnet.

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Frage

Nach welchem Prinzip kann die Beugung erklärt werden? 

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Antwort

Die Beugung kann nach dem huygensschen Prinzip erklärt werden.


Frage anzeigen

Frage

Was ist das huygenssche Prinzip?

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Antwort

Das huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden kann. Man spricht auch von der Elementarwelle. Durch die Überlagerung sämtlicher Elementarwellen, auch Superposition genannt, ergibt sich die neue Lage der Wellenfront. Die Lichtwelle hinter einem Hindernis läuft so weiter, als ob von jedem Punkt der Öffnung eine neue Elementarwelle ausginge. Diese Wellen breiten sich in demselben Medium und mit der gleichen Geschwindigkeit aus wie die ursprüngliche Welle.   

Frage anzeigen

Frage

Beugung tritt auf, wenn Wellen auf ein Hindernis treffen. Welche drei Arten von Hindernissen gibt es? 

Antwort anzeigen

Antwort

Hindernisse können Einzelspalt, Doppelspalt oder Mehrfachspalt sein. Der Mehrfachspalt wird auch als Gitter bezeichnet. 

Frage anzeigen

Frage

Wie funktioniert die Beugung am Einzelspalt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lichtbeugung kommt so zustande, indem eine Lichtwelle auf einen Einfachspalt trifft. Es kommt zur Beugung an diesem Spalt und hinter dem Spalt bildet sich nach dem huygensschen Prinzip eine neue Wellenfront. Diese Elementarwellen breiten sich hinter dem Spalt in alle Richtungen gleichmäßig aus und überlagern sich. 

Frage anzeigen

Frage

Wodurch entstehen Interferenzmuster? 

Antwort anzeigen

Antwort

Das Interfernzmuster entsteht durch konstruktive und destruktive Interferenz der Elementarwellen. 

Frage anzeigen

Frage

Was sind Minima? 

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Antwort

Minima werden die Stellen am Schirm genannt, an denen kein Licht ankommt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Art von Interferenz herrscht bei den Minima vor? 

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn alle Elementarwellen destruktiv interferieren, herrscht ein Minima vor.

Frage anzeigen

Frage

Was gilt am Minima für den Gangunterschied? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Gangunterschied Δs zwischen dem oberen und dem unteren Randstrahl ist beim Minima gleich einem Vielfachen der Wellenlänge. 

Die Formel lautet: Δs=k⋅λ

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Maxima? 

Antwort anzeigen

Antwort

Maxima sind die Stellen am Schirm zwischen den Minima, an denen am meisten Licht ankommt.

Frage anzeigen

Frage

Was gilt für den Gangunterschied beim Maxima? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es gibt ein Maxima, wenn der Gangunterschied Δs zwischen dem oberen und dem unteren Randstrahl gleich einem Vielfachen der Wellenlänge plus einer halben Wellenlänge ist. Daher gilt für die Maxima:

Δs=k⋅λ+0,5⋅λ=[(2k+1) / 2] ⋅λ

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Frage

Es kann ein Zusammenhang zwischen dem Winkel α und den Positionen der Maxima beziehungsweise der Minima festgestellt werden. Nenne die Formel, die diesen Zusammenhang allgemein ausdrückt. 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Winkel α kann durch folgende Formel berechnet werden: sinα=Δs/d


d steht dabei für die Spaltbreite. 

Frage anzeigen

Frage

Es liegt ein Minima vor. Wie kann der Winkel α berechnet werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Winkel kann mit folgender Formel berechnet werden, wenn ein Minima vorliegt: 

sinα=(k⋅λ)/d 

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Frage

Es liegt ein Maxima vor. Wie kann der Winkel α berechnet werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn ein Maxima vorliegt, kann der Winkel mit folgender Formel berechnet werden: 

sinα=(0.5⋅λ+k⋅λ)/d =[(2k+1)/2d]⋅λ

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei Sachverhalte, die bei einer Beugung am Einzelspalt gelten. 

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Antwort

Je kleiner der Spalt ist, durch den das Licht geht, desto stärker wird das Licht um diesen Spalt gebeugt.    
Die Intensität des Lichts wird mit einem steigenden Winkel kleiner.     

In der Regel ist der Spalt größer als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Es gibt also eine ganze Wellenfront, da von jedem Punkt des Spalts eine neue Elementarwelle ausgeht.     


Frage anzeigen

Frage

Wie unterscheiden sich die Begriffe "Interferenz" und "Beugung" voneinander? 

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Antwort

Die Begriffe der Interferenz und der Beugung sind sich ziemlich ähnlich, da sie im Grunde dasselbe Phänomen beschreiben. Daher ist es wichtig, die Unterscheidung zu kennen. Von der Beugung spricht man, wenn nur ein einzelner Spalt betrachtet wird. Beim Zusammenwirken von mehreren Spalten wird dann von Interferenz geredet. 

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Frage

Beschreibe kurz die Durchführung des Doppelspaltexperiments.

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Antwort

Beim Doppelspaltexperiment werden kohärente Wellen, wie zum Beispiel Licht- oder Materiewellen, durch zwei schmale, parallele, nahe beieinanderliegende Spalte geschickt.

Frage anzeigen

Frage

Fasse zusammen, was beim Doppelspaltexperiment mit den Wellen passiert und was daraus resultiert.

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Antwort

An den beiden Spalten entstehen laut dem Huygensschen Prinzip neue Elementarwellen. Diese Elementarwellen überlagern sich und bilden beim Auftreffen auf einem Beobachtungsschirm ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. 

Frage anzeigen

Frage

Unter welcher Bedingung tritt ein Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment auf? 

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Antwort

Ein Interferenzmuster tritt nur auf, wenn die Wellenlänge der Wellen kleiner ist als der Abstand der zwei Spalte. 

Frage anzeigen

Frage

Deute den physikalischen Effekt hinter Interferenzminima.

Antwort anzeigen

Antwort

Minima sind die Stellen an dem Beobachtungsschirm, an denen sich Wellen destruktiv auslöschen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Art der Interferenz bei einem Minimum.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einem Minimum liegt destruktive Interferenz vor.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Art der Interferenz bei einem Maximum.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einem Maximum liegt konstruktive Interferenz vor.

Frage anzeigen

Frage

Deute den physikalischen Effekt hinter Interferenzmaxima.

Antwort anzeigen

Antwort

Maxima sind die Stellen auf dem Schirm, an denen Wellen konstruktiv interferieren.

Frage anzeigen

Frage

Formuliere die Bedingung für Interferenzmaxima bezüglich des Gangunterschieds.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wellen interferieren konstruktiv, wenn der Gangunterschied Δs zwischen dem oberen und dem unteren Randstrahl gleich einem Vielfachen der Wellenlänge ist. Daher gilt für die Maxima: Δs=n⋅λ

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welcher Zusammenhang allgemein zwischen dem Winkel α und den Positionen der Minima und Maxima beim Doppelspalt besteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Es gilt: sin(α)=Δs/d

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Frage

Von wem und wann wurde das Doppelspaltexperiment zum ersten Mal durchgeführt?

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Antwort

Das Doppelspaltexperiment wurde von Thomas Young im Jahr 1802 das erste Mal durchgeführt. 

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Frage

Erkläre den Welle-Teilchen-Dualismus anhand des Doppelspaltexperiments.

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Antwort

Werden anstelle von Licht Teilchen wie Atome oder Elektronen eingesetzt, ist ebenfalls ein Interferenzmuster zu beobachten. Das lässt darauf schließen, dass auch die klassisch nur als Teilchen angesehenen Objekte Welleneigenschaften haben. Dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Bedeutung des Doppelspaltexperiments in der Quantenmechanik.

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Antwort

In der Quantenphysik nutzt man das Doppelspaltexperiment oftmals dazu, den Welle-Teilchen-Dualismus von bestimmten Objekten zu demonstrieren

Frage anzeigen

Frage

In welchem Zusammenhang steht der Winkel α speziell zu den Positionen der Maxima? 

Antwort anzeigen

Antwort

Will man den Winkel bei einem Maximum berechnen, so muss man also folgende Formel anwenden: sin(α)=(n⋅λ)/d

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