Worum geht es?
Schickt man Laserlicht durch zwei sehr schmale, eng benachbarte Spalte, sieht man auf einem weit entfernten Schirm nicht zwei helle Striche, sondern eine ganze Reihe heller und dunkler Streifen. Das lässt sich nur mit dem Wellenmodell des Lichts erklären: Von jedem Spalt geht nach dem Huygens-Prinzip eine Kreiswelle aus, und die Wellen überlagern sich (Interferenz).
In Richtung hat das Licht aus benachbarten Spalten den Gangunterschied ; ist der Abstand der Spaltmitten. Hauptmaxima (Verstärkung) entstehen, wenn ein Vielfaches der Wellenlänge ist:
Auf einem Schirm im Abstand liegt das -te Maximum bei . Für kleine Winkel gilt , und benachbarte Maxima haben den Abstand
Dunkle Streifen (Minima) liegen beim Doppelspalt genau dazwischen: Dort ist der Gangunterschied ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge, , und die beiden Wellen löschen sich aus.
Weil sein muss, gibt es nur endlich viele Maxima: Die höchste Ordnung ist das größte mit . Ist , gibt es außer der Mitte gar kein Maximum.
Mehr Spalte und Gitter: Mit Spalten bleiben die Hauptmaxima an denselben Stellen, werden aber schärfer und heller; dazwischen liegen Nullstellen und schwache Nebenmaxima. Ein Gitter hat sehr viele Spalte mit kleinem Abstand. Sein Spaltabstand heißt Gitterkonstante , bei Strichen pro mm also . Die Maxima sind scharfe Linien unter großen Winkeln – ideal zum genauen Messen von Wellenlängen. Weil die Winkel groß sind, muss man hier mit und rechnen; die Kleinwinkelnäherung ist zu ungenau.
Einzelspalt: Auch ein einzelner Spalt der Breite beugt das Licht. Er erzeugt ein breites helles Mittelmaximum und Minima bei . Diese Einzelspalt-Hülle begrenzt auch die Helligkeit der Maxima beim Doppelspalt und Gitter. Fällt ein Hauptmaximum genau auf ein Minimum der Hülle, fehlt es ganz („fehlende Ordnung“).
Licht und Farbe: Sichtbares Licht hat Wellenlängen von etwa (violett) bis (rot); der Regler deckt bis ab. Ein roter Laserpointer hat etwa , ein grüner . Rotes Licht wird stärker abgelenkt als blaues, die Streifen liegen also weiter auseinander.
Zur Darstellung: Im Aufbau oben sind die Spalte stark vergrößert und der Abstand ist nicht maßstäblich. Die Spaltbreite ist im Modell ; deshalb fehlen die Ordnungen Das Schirmbild und die Werte in der Tabelle sind dagegen genau berechnet.
Ausprobieren
- Beobachte das Wellenfeld hinter dem Doppelspalt. Wo verstärken sich die Wellen, wo löschen sie sich aus? Beispiel laden
- Ziehe die Messmarke auf das erste helle Maximum neben der Mitte und lies ab. Vergleiche mit .
- Verändere , und nacheinander. Wie ändert sich der Abstand der Streifen jeweils?
- Erhöhe die Anzahl der Spalte von auf und . Was passiert mit den Maxima, was entsteht dazwischen? Fünf Spalte
- Schalte auf das Gitter um. Warum sieht man nur wenige, weit auseinanderliegende Linien? Gitter
- Nur ein Spalt: Wie sieht das Muster jetzt aus? Einzelspalt
Aufgaben
Aufgabe 1: Roter Laser am Doppelspalt
Ein Laser () beleuchtet einen Doppelspalt mit . Der Schirm ist entfernt. Wie weit liegen benachbarte Maxima auseinander? Aufgabe laden
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. Der Winkel zum ersten Maximum ist nur , die Kleinwinkelnäherung passt also sehr gut. In der Simulation zeigen
Aufgabe 2: Wellenlänge messen
Am gleichen Doppelspalt (, ) misst man vom Maximum bis den Abstand . Bestimme .
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Zwischen und liegen Abstände: . . Über mehrere Abstände zu messen verkleinert den Messfehler.
Aufgabe 3: Gitter
Ein Gitter hat Striche pro mm; es wird mit beleuchtet, der Schirm ist entfernt. Berechne und . Welches ist die höchste sichtbare Ordnung? Aufgabe laden
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. , also und . Wegen läge genau bei ; sichtbar sind (). In der Simulation zeigen
Aufgabe 4: Kleinwinkelnäherung beim Gitter
Warum darf man in Aufgabe 3 nicht mit rechnen? Vergleiche und .
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Die Winkel sind groß (). Mit ergibt sich , also nicht das Doppelte von . Die Näherung würde für alle Abstände liefern.
Aufgabe 5: Mehr Spalte
Was ändert sich am Schirmbild, wenn man statt zwei Spalten fünf Spalte mit gleichem Abstand nimmt? Was bleibt gleich? Fünf Spalte
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Die Lage der Hauptmaxima bleibt gleich, denn sie hängt nur von und ab. Die Maxima werden schmaler und heller; dazwischen gibt es Nullstellen und schwache Nebenmaxima.
Aufgabe 6: Erstes Minimum
Wo liegt beim Doppelspalt aus Aufgabe 1 das erste dunkle Minimum neben der Mitte? Begründe mit dem Gangunterschied. Aufgabe laden
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Beim ersten Minimum ist , also . Damit , genau in der Mitte zwischen und . Die Messmarke zeigt dort Intensität. In der Simulation zeigen
Aufgabe 7: Wellenlänge mit dem Gitter messen
Ein grüner Laser beleuchtet ein Gitter mit Strichen pro mm. Auf dem Schirm in Abstand liegt das Maximum 1. Ordnung neben der Mitte. Bestimme .
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, also und . Mit folgt . Die Kleinwinkelnäherung () ergäbe , also fast zu viel. In der Simulation zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: in der Oberstufe beim Wellenmodell des Lichts; die genaue Einordnung bitte am Lehrplan prüfen. Gut als Vorbereitung auf den Schülerversuch mit Laser, Doppelspalt und Gitter: erst hier vorhersagen, dann real messen.
- Möglicher Ablauf: an die Interferenz in der Wellenwanne anknüpfen, dann die Bedingung für Licht übertragen, mit der Messmarke bestimmen und zum Schluss mit dem Gitter die Wellenlänge genau messen. Mit dem Schalter „Werte im Bild anzeigen“ lassen sich Winkel und Abstände in der Tabelle verdecken; die Aufgaben-Links tun das automatisch.
- Modell: Fraunhofer-Näherung (Schirm weit entfernt), gleiche Spaltbreiten , ideal monochromatisches Licht.
- Häufige Stolpersteine:
- „Größerer Spaltabstand, größere Streifenabstände.“ – Umgekehrt: .
- „Das Gitter hat mehr Maxima, weil es mehr Spalte hat.“ – Die Zahl der Hauptmaxima hängt von ab, nicht von ; mehr Spalte machen sie nur schärfer.
- Die Kleinwinkelnäherung wird beim Gitter oft ungeprüft verwendet.
- Weiterführend: Spektren mit dem Gitter, Elektronenbeugung, Röntgenbeugung an Kristallen, Interferenz an dünnen Schichten.