Diffraction

00:01 Es gibt eine Eigenschaft des Lichtes, die wir vor ein paar Folien eingeführt haben. Sie nennt sich Beugung.

00:07 Wenn eine Welle auf eine Öffnung trifft und diese Öffnung passiert, wird sie sich anschließend nicht wie ein geradliniger Lichtstrahl verhalten, sondern nach dem Prinzip der Beugung verlaufen.

00:16 Nach der Passage der Öffnung wird sie sich annähernd kreisförmig ausbreiten.

00:21 Sie könnten nun anmerken: Dies scheint nicht zuzutreffen, wenn Ozeanwellen auf eine sehr große Öffnung treffen.

00:28 Eine Beugung ist in diesem Fall nicht sichtbar, da sie nur dann in einem sichtbaren Ausmaß auftritt, wenn die Breite der Öffnung mit der Breite der entsprechenden Wellenlänge vergleichbar ist.

00:43 Anwendbar ist dies jedoch auf Lichtwellen: Haben wir eine sehr kleine Wellenlänge, ist der Beugungseffekt nur dann wirklich sichtbar, wenn die Öffnungen, durch die das Licht tritt, ebenfalls sehr schmal ist.

00:57 Wir haben eine Vorstellung davon, warum dies geschieht.

01:00 Dass etwas geradlinig verläuft, dann aber einen gekrümmten Weg einschlägt, anstatt den geradlinigen Verlauf fortzusetzen, entspricht zunächst nicht unserer Intuition.

01:08 Es gibt zu diesem Phänomen allerdings einige Theoreme.

01:11 Grundsätzlich stellen wir uns vor, dass jeder Punkt, der von einer geradlinig verlaufenden Welle getroffen wird, Ausgangspunkt für neue Wellen ist.

01:21 Bewegen sich die Lichtwellen wie in unserem Fall vorwärts in eine Richtung, kollidieren sie auf ihrem Weg mit verschiedenen kleinen Molekülen, die das Licht aufnehmen und wieder aussenden.

01:32 Jedes einzelne dieser Objekte strahlt das Licht in einem kugelförmigen Muster aus.

01:38 Zusammen erwecken diese kugelförmigen Ausbreitungsmuster den Anschein eines geradlinigen Verlaufes.

01:45 Wird dieses Muster an Atomen oder Molekülen, die das Licht kugelförmig reflektieren, durch eine Barriere durchbrochen, wird eine scheinbare Biegung der Lichtstrahlen um dieses Hindernis herum sichtbar.

01:59 Es gibt weitere Theoreme, die beschreiben, warum dieser Beugungseffekt nach dem Durchtritt durch Öffnungen auftritt und die Wellen ihre Verlaufsrichtung ändern.

02:08 Dieser Effekt kann praktisch gut genutzt werden.

02:13 Wir haben eine Form mit sehr vielen Öffnungen, wobei die Größe jeder Öffnung wieder annähernd der Wellenlänge des Lichts entspricht, das die Öffnung durchtritt.

02:21 Diese Struktur wird als Beugungsgitter bezeichnet, da wir ein gitterartiges Muster von offen und geschlossen Anteilen vorfinden.

02:28 Es wird zur Erzeugung eines Beugungseffektes verwendet.

02:30 Mithilfe des Gitters können die verschiedenen Wellenlängen des Lichts untersucht werden, da jede Wellenlänge beim Durchtritt unterschiedlich auf die Barriere reagiert.

02:40 Wir sehen dies immer dann, wenn wir verschiedene sehr kleine Öffnungen haben, durch die Licht eindringen kann.

02:48 Das Licht wird eine Beugung erfahren und je nach Wellenlänge unterschiedlich gekrümmt.

02:53 Dies ermöglicht uns, all die verschiedenen Wellenlängen separat zu untersuchen.

02:58 Es gibt eine weitere, sehr interessante und sehr nützliche Anwendung für die wir diesen Beugungseffekt verwenden können.

03:04 Sie wird als Röntgenbeugung bezeichnet.

03:06 Wir können uns das ungefähr so vorstellen: In diesem blauen Kasten befindet sich Material, bestehend aus vielen Atomen beziehungsweise vielen Molekülen, die alle eine spezifische Struktur aufweisen.

03:17 Sie wird durch die kleinen blauen Kreise dargestellt wird.

03:20 Wenn das Material also eine Struktur wie diese hat und wir wissen, dass Beugung auftritt, wenn wir Licht hineinschicken, deren Wellenlänge mit der Größe zwischen dieser Strukturen vergleichbar ist, dann können wir daraus ableiten, dass das Licht während des Durchtritts durch das Material gebeugt und gekrümmt wird.

03:33 Es stellt sich die Frage, welche Wellenlänge des Lichts notwendig ist, sodass dieses beim Durchstrahlen des Materials durch die sehr kleinen Öffnungen zwischen den Atomen und Molekülen gebeugt wird.

03:43 Es handelt sich um die Wellenlänge von Röntgenstrahlen, beziehungsweise die Frequenz der Röntgenstrahlen.

03:49 Wir senden also Röntgenstrahlen aus, die im Material gebeugt werden und untersuchen das Licht, das auf der anderen Seite herauskommt.

03:55 Das ist eine Möglichkeit, in das Material hineinzuschauen ohne es tatsächlich öffnen zu müssen.

04:00 Wir durchstrahlen es mit Licht, es wird an den verschiedenen Strukturen im Inneren gebeugt.

04:04 Das wieder austretende Licht wird anschließend untersucht, indem das Interferenzmuster oder das Beugungsmuster auf der anderen Seite des Materials betrachtet wird.

04:13 Dadurch können wir bestimmte Eigenschaften des Materials allein durch die Kenntnis mathematischer Grundlagen der Lichtbeugung ableiten.

04:21 Das gebeugte Licht wird also untersucht und anhand mathematischer Theoreme die Struktur des Materials bestimmt.

04:28 Das ist ohne die Öffnung des Materials oder dessen Betrachtung durch ein Mikroskop möglich.

04:33 Dieser sehr nützliche Effekt wird interessanterweise auch zur Materialbestimmung auf dem Mars verwendet.

04:43 Wenn wir wissen wollen, welche Art von Material sich auf dem Mars befindet, müssen wir uns nicht die gesamte chemische Zusammensetzung unter dem Mikroskop ansehen.

04:49 Dies wäre sehr schwierig zu bewerkstelligen.

04:51 Wir können es stattdessen mit Röntgenstrahlen durchstrahlen.

04:53 Betrachten Sie das Muster, das auf der anderen Seite entsteht.

04:56 Üblicherweise ist eine Abfolge symmetrisch angeordneter heller und dunkle Bänder sichtbar.

05:01 Anhand des Beugungsmusters können wir auf die Eigenschaften der Materialien schließen und feststellen, um welche Materialien es sich handelt.

05:13 Damit ist unsere grundlegende Einführung in das Licht als Wellenphänomen abgeschlossen.

05:18 Wir haben einige Eigenschaften gezeigt, die das Licht beim Durchtritt durch Materialien aufweist.

05:21 In den folgenden Lektionen werde ich über weiter Eigenschaften des Lichtes sprechen und ein paar neue Denkansätze zum Thema Licht als Welle und als Teilchen präsentieren.

05:29 Danke fürs Zuhören.