Thomas Youngs Doppelspaltexperiment

Thomas Youngs Doppelspaltexperiment – Java-Tutorial

Im Jahr 1801 führte ein englischer Physiker namens Thomas Young ein Experiment durch, das einen starken Rückschluss auf die wellenartige Natur des Lichts zuließ. Da er glaubte, dass Licht aus Wellen besteht, schlussfolgerte Young, dass eine Art von Wechselwirkung auftreten würde, wenn zwei Lichtwellen aufeinander treffen. In diesem interaktiven Tutorial wird untersucht, wie kohärente Lichtwellen interagieren, wenn sie durch zwei eng beieinander liegende Schlitze geleitet werden.

Das Tutorial beginnt damit, dass Strahlen von der Sonne durch einen einzelnen Schlitz in einem Bildschirm geleitet werden, um kohärentes Licht zu erzeugen. Dieses Licht wird dann auf einen anderen Schirm projiziert, der Zwillings- (oder Doppel-) Schlitze hat, die wiederum das einfallende Licht beim Durchgang beugen. Die Ergebnisse der Interferenz zwischen den gebeugten Lichtstrahlen können als Lichtintensitätsverteilungen auf dem dunklen Film visualisiert werden. Mit dem Schieberegler „Abstand zwischen den Schlitzen“ kann der Abstand zwischen den Schlitzen variiert werden, um entsprechende Variationen in den Interferenz-Intensitätsverteilungsmustern zu erzeugen.

Young’s Experiment basierte auf der Hypothese, dass, wenn Licht von Natur aus wellenförmig ist, es sich ähnlich wie Wellen auf einem Teich verhalten sollte. Wo zwei entgegengesetzte Wasserwellen aufeinander treffen, sollten sie auf eine bestimmte Art und Weise reagieren, um sich entweder gegenseitig zu verstärken oder zu zerstören. Wenn die beiden Wellen im Gleichschritt sind (die Kämme treffen sich), dann sollten sie sich zu einer größeren Welle vereinigen. Treffen dagegen zwei Wellen aufeinander, die nicht im Gleichschritt sind (der Scheitelpunkt der einen trifft auf das Tal der anderen), sollten sich die Wellen aufheben und eine flache Oberfläche in diesem Bereich erzeugen.

Um seine Hypothese zu testen, entwickelte Young ein ausgeklügeltes Experiment. Er nutzte Sonnenlicht, das durch einen kleinen Spalt gebeugt wurde, als Quelle kohärenter Beleuchtung und projizierte die vom Spalt ausgehenden Lichtstrahlen auf einen weiteren Schirm, der zwei nebeneinander liegende Schlitze enthielt. Das Licht, das durch die Schlitze fiel, wurde dann auf einen Bildschirm fallen gelassen. Young beobachtete, dass sich bei großen Schlitzen, die weit auseinander und nahe am Schirm lagen, zwei sich überlappende Lichtflecken auf dem Schirm bildeten. Wenn er jedoch die Schlitze verkleinerte und sie näher zusammenbrachte, erzeugte das Licht, das durch die Schlitze und auf den Schirm fiel, deutliche Farbbänder, die durch dunkle Bereiche in einer seriellen Reihenfolge getrennt waren. Young prägte den Begriff Interferenzstreifen, um die Bänder zu beschreiben und erkannte, dass diese farbigen Bänder nur erzeugt werden konnten, wenn sich Licht wie eine Welle verhielt.

Der grundlegende Aufbau des Doppelspaltexperiments ist in Abbildung 1 dargestellt. Rot gefiltertes Licht aus dem Sonnenlicht wird zunächst durch einen Spalt geleitet, um einen kohärenten Zustand zu erreichen. Die aus dem ersten Spalt austretenden Lichtwellen werden dann auf ein dicht beieinander liegendes Spaltpaar an einer zweiten Barriere auftreffen lassen. Ein Schirm wird in der Region hinter den Schlitzen platziert, um überlappende Lichtstrahlen einzufangen, die durch die Zwillingsschlitze gelaufen sind, und ein Muster aus hellen roten und dunklen Interferenzstreifen wird auf dem Schirm sichtbar. Der Schlüssel zu dieser Art von Experiment ist die gegenseitige Kohärenz zwischen den Lichtwellen, die von den beiden Schlitzen an der Barriere gebeugt werden. Obwohl Young diese Kohärenz durch die Beugung des Sonnenlichts am ersten Spalt erreichte, kann jede beliebige Quelle kohärenten Lichts (z. B. ein Laser) das Licht ersetzen, das durch den einzelnen Spalt läuft.

Die kohärente Wellenfront des Lichts, das auf die Zwillingsschlitze trifft, wird in zwei neue Wellenfronten aufgeteilt, die perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die Lichtwellen aus den beiden Schlitzen müssen eine gleich lange Strecke zurücklegen, um den Punkt A auf dem in Abbildung 1 dargestellten Schirm zu erreichen, und sollten diesen Punkt noch im Gleichschritt oder mit der gleichen Phasenverschiebung erreichen. Da die beiden Wellen, die den Punkt A erreichen, die notwendigen Voraussetzungen für konstruktive Interferenz besitzen, sollten sie sich addieren und einen hellen roten Interferenzstreifen auf dem Schirm erzeugen.

Im Gegensatz dazu ist keiner der beiden Punkte B auf dem Schirm gleich weit von den beiden Spaltöffnungen entfernt, so dass das Licht von einem Spalt eine größere Strecke zurücklegen muss, um den Punkt B zu erreichen, als von dem anderen. Die Welle, die von dem Spalt ausgeht, der näher an Punkt B liegt (z. B. der Spalt und Punkt B auf der linken Seite von Abbildung 1), muss nicht so weit reisen, um ihr Ziel zu erreichen, wie eine Welle, die vom anderen Spalt ausgeht. Folglich sollte die Welle vom nächstgelegenen Spalt etwas früher am Punkt B ankommen als die Welle vom am weitesten entfernten Spalt. Da diese Wellen am Punkt B nicht in Phase (oder im Gleichschritt) ankommen, werden sie destruktiv interferieren und einen dunklen Bereich (Interferenzstreifen) auf dem Bildschirm erzeugen. Interferenzstreifenmuster sind nicht auf Experimente mit der Doppelspaltkonfiguration beschränkt, sondern können durch jedes Ereignis erzeugt werden, das zur Aufspaltung von Licht in Wellen führt, die aufgehoben oder addiert werden können.

Der Erfolg von Youngs Experiment war ein starkes Zeugnis zugunsten der Wellentheorie, wurde aber von seinen Kollegen nicht sofort akzeptiert. Die Vorgänge, die hinter Phänomenen wie dem in Seifenblasen beobachteten Regenbogen und den Newtonschen Ringen (auf die weiter unten eingegangen wird) stehen, wurden zwar durch diese Arbeit erklärt, waren aber für die Wissenschaftler, die fest daran glaubten, dass sich Licht als Strom von Teilchen ausbreitet, nicht sofort offensichtlich. Später wurden andere Arten von Experimenten erdacht und durchgeführt, um die wellenartige Natur des Lichts und Interferenzeffekte zu demonstrieren. Am bemerkenswertesten sind das Einspiegelexperiment von Humphrey Lloyd und die von Augustin Fresnel entwickelten Doppelspiegel- und Bi-Prismen-Experimente für polarisiertes Licht in einachsigen und doppelbrechenden Kristallen. Fresnel folgerte, dass Interferenzen zwischen Strahlen von polarisiertem Licht nur mit Strahlen gleicher Polarisationsrichtung möglich sind. In der Tat können polarisierte Lichtwellen, deren Schwingungsrichtungen parallel zueinander ausgerichtet sind, kombiniert werden, um Interferenz zu erzeugen, während solche, die senkrecht dazu stehen, nicht interferieren.