Teilchen- und Wellenbeugung

Die eine Theorie geht davon aus, dass Licht wellenförmig ist und Energie erzeugt, die sich durch den Raum bewegt, ähnlich wie Wellen, die sich über die Oberfläche eines Teichs ausbreiten, nachdem ein Stein ins Wasser geworfen wurde. Die andere Theorie geht davon aus, dass das Licht aus einem steten Strom von Teilchen besteht, ähnlich wie winzige Wassertropfen, die aus einer Gartenschlauchdüse sprühen. In diesem interaktiven Tutorial wird untersucht, wie kohärente Lichtwellen interagieren, wenn sie zwei eng beieinander liegende Spalte passieren.

Das Tutorial beginnt mit Teilchen aus monochromatischem rotem Licht (Photonen), die mit einem Einfallswinkel von ca. 90° auf die Oberfläche einer lichtundurchlässigen Lichtblende treffen. Wenn die Teilchen auf die Lichtblende treffen, werden sie umgelenkt (nicht abgebildet) oder passieren das Objekt ungehindert. Mithilfe des Schiebers Particle/Wave unter der Lichtblende kann das Teilchenbündel in eine plane Wellenfront verwandelt werden. Bevor sie zu einer Welle werden, richten sich die Teilchen in Wellen aus. Die Lichtwellen interagieren mit der Lichtblende, indem sie in den grau eingezeichneten Bereich hinter dem lichtundurchlässigen Hindernis gebeugt (oder gebogen) werden. Mit dem Mauszeiger kann die lichtundurchlässige Lichtblende vor den entgegenkommenden Wellen oder Teilchen hin und her geschoben werden.

Teilchen und Wellen sollten sich unterschiedlich verhalten, wenn sie auf den Rand eines Objekts treffen und einen Schatten bilden (Abbildung 1). Isaac Newton wies in seinem 1704 erschienenen Buch Opticks darauf hin, es sei noch nie gesehen worden, dass Licht einer Biegung folgt oder sich in einen Schatten beugt. Dieses Konzept stimmt überein mit der Teilchentheorie, die besagt, dass sich Lichtteilchen immer in geraden Linien bewegen. Wenn die Teilchen auf den Rand eines Hindernisses treffen, werfen sie einen Schatten, weil die Teilchen, die nicht von dem Hindernis blockiert werden, in einer geraden Linie weiterlaufen und sich nicht hinter dem Rand ausbreiten können. Auf makroskopischer Ebene ist diese Betrachtung fast korrekt, aber sie stimmt nicht mit den Ergebnissen überein, die aus Lichtbeugungsexperimenten in viel kleinerem Maßstab erhalten wurden.

Wenn Licht durch einen schmalen Spalt fällt, verbreitert sich der Lichtstrahl stärker als erwartet. Diese grundlegend wichtige Beobachtung verleiht der Wellentheorie des Lichts erhebliche Glaubwürdigkeit. Wie Wellen im Wasser scheinen sich Lichtwellen, die auf den Rand eines Objekts treffen, um den Rand herum und in den geometrischen Schatten hinein zu beugen, d. h. in einem Bereich, der nicht direkt vom Lichtstrahl beleuchtet wird. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit Wasserwellen, die um das Ende eines Floßes schwappen, anstatt daran abzuprallen.