Interference

00:01 Mittlerweile haben wir Begriffe für die Beschreibung von Wellen und periodischen Phänomenen kennengelernt.

00:05 Auch über Schall als eine Form der Welle sowie über die Eigenschaften des Klanges haben wir bereits gesprochen, sodass wir jetzt bereit sind, zum Licht überzugehen.

00:10 Beginnen werden wir mit der historisch interessanten Diskussion darüber, ob Licht eine Welle oder ein Teilchen ist.

00:18 Um uns einen Überblick über das Licht zu verschaffen, werden wir über die Wellenphänomene sprechen, dann zu den Eigenschaften der elektromagnetischer Strahlung übergehen, und anschließend über einige Eigenschaften des Lichtspektrums sprechen.

00:31 Zunächst zu einigen Wellenphänomenen.

00:33 Beginnen wir mit der Interferenz.

00:38 Ebenso wie Schallwellen, können Lichtwellen miteinander interferieren.

00:43 Kommen wir zunächst aber auf die historische Frage bezüglich des Lichtes zurück.

00:46 Licht sehen wir die ganze Zeit, kennen es seit vielen Jahrhunderten und wissen, dass es für unsere Wahrnehmung von großer Bedeutung ist.

00:53 Worum handelt es sich dabei? Ist es eine Welle? Ist es ein Teilchen? Wie verhält es sich? Was können wir mit ihm machen? Können wir es manipulieren oder einfangen? Hier ist ein Bild von Thomas Young, der eines der berühmtesten Experimente durchführte, um zu klären, ob sich Licht wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhält.

01:13 Er hat nahm zwei Bildschirme, die Sie hier sehen.

01:17 Einen auf der linken Seite, einen auf der rechten Seite und in einen der beiden bohrte er zwei kleine Löcher.

01:24 Aufgrund dessen wird das Experiment oft als Doppelspaltexperiment bezeichnet.

01:30 Er fragte, was passieren würde, wenn man Licht durch die beiden Schlitze schicke.

01:34 Sehen Sie sich an, was passiert, wenn das Licht auf den zweiten Bildschirm trifft.

01:39 Indem er Licht durch die beiden Schlitze fallen ließ, wollte er herausfinden, ob es sich bei Licht um Wellen oder Teilchen handelt.

01:45 Folgende Überlegung kann dabei helfen: Nehmen wir einmal an, das Licht wäre ein Teilchen. Was würde dann passieren? Wenn wir eine Menge an Teilchen durch diese beiden Schlitze schicken, erwarten wir zwei Teilchenströme, die beim Aufprall auf die Rückwand genau an der Lokalisation der Löcher des ersten Bildschirms als zwei helle Punkte sichtbar würden.

02:05 Was würde passieren, wenn Licht eine Welle wäre? Wir kennen von Wellen das Phänomen der Beugung.

02:09 Treten Wellen, beispielsweise Ozeanwellen, durch eine Öffnung, erwarten wir im Anschluss, dass sie halbkreisförmig gebeugt werden und gekrümmt weiterverlaufen.

02:17 In Kürze werden wir mehr über Beugung und die zugrundeliegenden Ursachen erfahren, momentan reicht es aber, zu wissen, dass sich Wellen nach der Passage einer Öffnung halbkreisförmig nach außen biegen.

02:30 Wenn zwei Wellen also auf eine Barriere treffen und durch die Schlitze des ersten Bildschirms durchtreten, werden beide halbkreisförmig gebeugt.

02:36 Teile beider Wellen interferieren.

02:41 Treffen zwei Wellenberge aufeinander, kommt es zu einer Überlagerung und es entsteht ein heller Fleck auf dem zweiten Schirm, da das Licht konstruktiv interferiert.

02:48 Auch an Stellen, an denen zwei Wellentäler aufeinander treffen, tritt eine Verstärkung auf.

02:55 Man spricht von Überlagerung.

02:58 Es können allerdings auch Wellenberge auf Wellentäler treffen.

03:00 Diese löschen sich gegenseitig aus, da etwas Positives mit etwas Negativem interferiert.

03:07 Folge einer Auslöschung der Lichtwelle wären dunkle Flecken auf dem dahinter liegenden Bildschirm.

03:13 Die destruktive Interferenz verhält sich also gegensätzlich zur konstruktiven Interferenz, die entsteht, wenn Spitzen auf Spitzen oder Tiefpunkte auf Tiefpunkte treffen.

03:19 Es handelt sich um zwei unterschiedliche Phänomene.

03:22 Thomas Young ging genau so vor. Er hat Licht durch die beiden Schlitze geschickt, um zu überprüfen, was passiert und konnte feststellen, dass sich Licht tatsächlich wie eine Welle verhält.

03:31 Anstatt zwei helle Punkte oder Streifen zu bekommen, beobachtete er stattdessen viele Streifen, die auf die konstruktive und die destruktive Interferenz der Lichtwellen zurückzuführen waren.

03:42 Auf dem zweiten Bildschirm werden also sowohl helle als auch dunkle Areale sichtbar.

03:46 Es ist wichtig, das grundlegende Prinzip zu verstehen, dass die hellen Stellen der konstruktiven Interferenz entsprechen und die dunklen Regionen durch destruktive Interferenzen begründet sind.

03:55 Wie wir also wissen, sind die hellen Streifen durch positive Überlagerung bedingt, wohingegen die dunklen Streifen durch Auslöschung verursacht werden.

04:00 Wir können jetzt mit Sicherheit sagen, dass Licht mindestens eine Welleneigenschaft besitzt.

04:06 Das Licht hat weitere Eigenschaften, die in der Natur oft zu sehen sind, wenn Licht auf ein Medium fällt und mit diesem interferiert oder auf dieses einwirkt.

04:18 Beispielsweise kann eine Lichtwelle aus der Luft in eine Seifenschicht eintreten, die auf einer Wasserschicht liegt.

04:22 Wenn wir uns mit der Optik befassen, werden wir sehen, dass ein Teil des Lichtes in einem leicht gekrümmten Winkel in das Medium hineintritt und anschließend wieder aus dem Medium heraustritt.

04:32 Ein anderer Teil des Lichtes wird stattdessen sofort an der Oberfläche reflektiert und tritt nicht erst hinein, um dann wieder herauszutreten.

04:38 In diesem Fall handelt es sich um zwei Lichtwellen.

04:42 Der eindringende und der am Medium abprallende Lichtstrahl haben eine andere Phase. Bezeichnet wird dies als Phasenverschiebung.

04:50 Erinnern Sie sich an unsere Definition für die Phase.

04:52 Die Phase beschreibt den Schwingungszustand einer Welle.

04:54 Sie gibt an, wann und wo Wellenberge und Wellentäler sind.

04:58 So könnte die Welle, die von der Oberfläche abprallt, zu diesem Zeitpunkt ein Wellenberg aufweisen, während die Welle, die in das Medium eintrat und wieder herauskam beim Eintritt ein Wellental hatte.

05:08 Auch das genaue Gegenteil wäre denkbar, dass also die abprallende Welle ein Wellental aufwies, wohingegen sich die andere am Höhepunkt, dem Wellenberg, befand.

05:16 Demnach kommen zwei verschiedene Phänomene infrage.

05:19 Die beiden phasenverschobenen Wellen interferieren und es entstehen Spitzen oder Tiefs, je nachdem, wo die verschiedenen Phasen beim Aufeinandertreffen lagen.

05:27 Wir sehen diese Art von Beugung häufig bei Reflexionen an dünnen Schichten.

05:34 Es handelt sich dann um eine Dünnschichtinterferenz, da das Phänomen beim Lichteinfall auf dünne Schichten auftritt.

05:41 Dies kann beispielsweise ein dünner Ölfilm oder ein dünner Seifenfilm auf Wasser sein.

05:45 Sichtbar werden schimmernde Streifen, die auf die in dünner Schicht dem Wasser aufgelagerten Seifenblasen oder auf Öl zurückzuführen sind.