Beugung, Blenden und Optik

BEUGUNG

Wird das Licht durch Kanten, Blenden und anderen kleinen Hindernissen von der geradlinigen Ausbreitung abgelenkt, dann spricht man von Beugung. Ist eine Blende sehr gross, so erkennen wir keine Beugung. Wird sie aber so stark geschlossen, dass ihre Grösse um eine Wellenlänge des auftreffenden Lichtes ist, dann ändert sich plötzlich das Erscheinungsbild. Die geradlinige Ausbreitung des Lichtes wird plötzlich gestört. Randstrahlen werden seitlich abgelenkt oder eben gebeugt.

Da das ungebeugt durchgehende Bündel keinen Gangunterschied aufweist, spricht man vom O.Maximum. Rechts und links davon liegt das 1. Minimum. Hier ist das erste Mal eine dunkle Stelle. Daneben schliesst der Wellenzug an, der durch den Gangunterschied von 1 usw. Allgemein kann gesagt werden , dass die Ordnungszahl eines Maximums gerade den Gangunterschied an Wellenlängen ergibt. Der Gangunterschied beim Minimum ist somit eine halbe Wellenlänge kleiner, als seine Ordunugszahl angibt.

Diese Erscheinung können wir uns leicht erklären: nachdem wir vorhin die Interferenz kennengelernt haben. Hier spielt erneut das Huygens'sche Prinzip, bei dem jeder Punkt des vom Licht durchstossenen Spaltes ein neues Wellenzentrum darstellt.
Ausgeprägter als bei einem Spalt ist die Beugung bei Verwendung eines Beugungsgitters. Dieses besteht aus einer Vielzahl feiner parallel verlaufender und dicht beieinanderliegender Spalten. Der Abstand von Spaltmitte zu Spaltmitte wird als Gitterkonstante bezeichnet.

Beleuchtet man dasselbe Beugungsgitter nacheinanderrnlt rotem, grünem und blauem monochromatischem Licht, stellt man fest, dass die Helligkeitsmaxima umso weiter auseinanderlieqen, je länger die Wellenlänge ist. Langweiliges Licht wird stärker gebeugt als Kurzweiliges. Wird das Gitter nun mit weissem Licht beleuchtet, so liegt das Helligkeitsmaximum für jede Farbe an einer anderen Stelle. Während das Helligkeitsmaxima nach wie vor als heller Streifen erscheint, treten anstelle der Maxima 1. 2. 3. Ordnung Spektren auf. Das kurzweilige Ende der Spektren (also blau) liegt dem O. Maximum zugekehrt, während das langweilige Ende (hier rot) am weitesten entfernt liegt. Während das 1. Maximum vom O. Maximum vollständig getrennt liegt, überschneiden sich die Maxima höherer Ordung immer mehr. Das geht soweit bis keine Farben mehr wahrgenommen werden und der Schirm uns wieder weiss erscheint.

Die Grösse der Beugung ist abhängig vom Verhältnis Spaltbreite zu Wellenlänge. Je schmaler der Spalt umso stärker die Beugung. Beugung und Interferenz sind eng miteinander verknüpft und treten praktisch stehts gleichzeitig auf. Mit der Beugung haben wir ein Mittel an der Hand, das Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Da der Abstand zweier Farben höher ist als bei einem Prismenspektrum, findet die Beugung in der Wissenschaft rege Anwendung.

Auch im optischen Instrumentenbau spielt Beugung eine entscheidende Rolle zur Berechung des Auflösungsvermögens. Dieses Auflösugsvermögen ist nicht allein von der Vergrösserung abhängig, denn diese könnte man beliebig steigern . Weil am Rand einer Optik Beugung auftritt, die natürlich mitvergrössert wird, erweist es sich als sinnlos, von einer bestimmten Vergrösserung an, den Abbildungsmassstab weiter zu steigern. Die Bildqualität würde sich nur verschlechtern.Selbstverständlich kann die Oeffung grösser gemacht werden (beispielsweise beim Fernrohrbau für astronomische Zwecke): Damit ist aber die Beugung keineswegs verschwunden, doch es lässt eine höhere Auflösung zu. In der Mikroskopie löst man dieses Problem mit dem Einsatz von Immersionsölen. Die Eigenart von Strichgittern praktisch nur in Richtung der Interferenzmaxima Licht durchzulassen, erklärt zum Teil die Transparenz der Hornhaut. In der Cornea liegen die Fasern in einzelnen Faserschichten wie in einem Strichgitter parallel nebeneinader. Bei Wasseraufnahme quillt das Bindemittel, das die Kollagenfasern zusammenhält. Dadurch löst sich die regelmässige Anordnung der Fasern auf. Es setzt eine Trübung der Cornea ein. Die Sklera , obschon aus denselben Fasern, kann wegen der unregelmässigen Schichtung nie transparent sein.

Die fünf Kernsätze
1. Wellen breiten sich in einem Medium solange geradlinig aus, bis sie auf ein Hindernis treffen. Am Hindernis werden sie aus ihrer geradlinigen Ausbreitung so abgelenkt, dass sie sich in ihre geometrischen Schattenräume ausbreiten. Diese Ablenkung bezeichnet man als Beugung.
2. Beugung entsteht, da jeder Punkt einer Welle Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle ist. (Prinzip nach Huygens)
3. Da bei jeder optischen Abbildung die Lichtstrahlenbündel durch Blenden, Linsenfassungen, Spalten, Markierungen usw. begrenzt werden, entsteht nie eine punktscharfe Abbildung d.h. ein Objektpunkt wird als Beugungsscheibchen abgebildet. Die Grösse der Beugungsscheibchen bestimmt das Auflösungsvermögen eines optischen Instruments.
4. Je grösser die Oeffnung eines Hindernisses (z.B. einer Blende) im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts ist, desto geringer wirkt sich die Beugung aus. (Das bedeutet, dass die Abbildung schärfer wird.)
5. Langwelliges Licht wird stärker gebeugt als kurzwelliges.