Doppelspalt - nur mit Laser? < Optik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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Hallo,
ich vielen Büchern und/oder Abbildungen wird für den Doppelspalt eine kohärente Lichtquelle vorausgesetzt. Ich finde dies für Schüler und Studenten irreführend.
Denn theoretisch und experimentell kann ich diese Voraussetzung nicht als notwendig nachvollziehen.
Blick auf die Theorie: Wenn die Schüler noch nicht mit der Quantenphysik in Kontakt gekommen sind, wird oft davon gesprochen, das zwei Lichtstrahlen - einer geht durch den einen Spalt, ein zweiter geht durch den anderen Spalt mit einander interferieren. In der Quantenphysik lernen die Schüler dann das "Interferieren mit sich selbst" kennen, sodass auch beim Beschuss mit Einzelphotonen ein Interferenzbild entsteht. Eigentlich müsste man - meiner Ansicht nach - obige Vorstellung, dass beim Bestrahlen eines Doppelspaltes zwei (schon vor dem Spalt) getrennte Photonen miteinander interferieren, revidieren. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass zwei solcher Photonen zur gleichen Zeit mit gleicher Intensität die Spalte passieren. Hingegen tritt in jedem Fall die Einzelphotoneninterferenz auf - und bei dieser sind die Kohärenzbedingungen vortrefflich erfüllt. Dementsprechend bräuchte man bei der Lichtquelle nicht auf Kohärenz zu achten. Lediglich monochromes Licht ist erforderlich, wenn scharfe Spots erwünscht sind.
Experimenteller Befund: Bestrahlung mit weißem Licht zur Aufspaltung des Farbspektrum funktioniert - reicht als Beleg.
Also warum dieses Beharren auf die Kohärenz der Quelle? Bin neugierig, wie ihr das seht.. 
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Die Kohärenz bezieht sich auf die Länge verschiedener Wege bzw. Zeiten.
Beim Doppelspalt kannst du aus 100 m Entfernung "schießen" und bekommst Interferenz, keine Frage. Ebenso gibt es keine Probleme bei der Spektralzerlegung mit Gitter oder Prisma.
Schau dir aber mal ein Interferometer an. Mit dem Halbspiegel zerlegst du den Strahl in zwei Teilstrahlen, führst diese über zwei verschiedene Wege und dann wieder zusammen. Wenn nun einer dieser Wege mehr als die Koheränzlänge länger als der andere ist, kommen Teilstrahlen verschiedener Intensität zusammen, die Interferenz wird merklich gestört.
Das Problem kann sogar beim Doppelspalt auftreten, wenn du eine Quecksilberdampflampe benutzt, die gerade erst gezündet hat und daher noch keine stabile Temperatur im Kolben vorhanden ist. Erst nach ca. 3-4 Minuten entsteht dann das Interferenzbild.
Eine viel interessantere Frage ist, wieso Licht durch Glas langsamer läuft als im Vakuum. Für ein Photon ist der mit den Atomen angefüllte Raum fast leer. Es wird auch nicht abgelenkt (sonst ginge der Strahl ja wie im Nebel in alle Richtungen weiter). Angeblich wird die Welle durch Resonanz mit den Atomen verlangsamt, aber was schwingt da mit? Und wieso wirkt sich das auf die Photonen aus? haben wir hier einfach nur eine Zeitdillatation durch die Gravitationsfelder der Atome?
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Hallo HJKweseleit,
danke für Deine Antwort. Ah, OK, die Kohärenzlänge hatte ich nicht bedacht. Wenn diese kleiner als [mm] $\lambda$ [/mm] ist, so kommt bereits das erste Maximum nicht zustande. Maxima höherer Ordung sind natürlich noch stärker betroffen.
Damit jedoch die Intensität im ersten Maximum merklich abfällt, müsste wahrscheinlich großer Teil (>50%) der Wellenzüge kürzer als [mm] $\lambda$ [/mm] sein. Ich kenne mich leider nicht so aus. Vielleicht hat jemand dazu eine Einschätzung. Insbesondere für Haushaltsübliche Lichtquellen, also LED, Glühlampe und Gaßentladungslampen.
Warum genau Licht in dichteren Medien eine kleinere Wellenlänge/Geschwindigkeit besitzt, das wüsste ich auch gern...
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Der Quantensprung eines Elektrons wird auf ca. [mm] 10^{-8}s [/mm] Dauer geschätzt. Die "Trägerwelle" des Photons, die sich mit [mm] 3*10^8 [/mm] m/s bewegt, wäre demnach 3 m lang. Es ist aber keine reine Sin-Schwingung, die ja [mm] \infty [/mm] lang wäre, sondern hat eher die Form eines Wellenberges in einer "Schwebung", deren Amplitude am Anfang und Ende klein und in der Mitte groß ist.
Interessant ist also der mittlere Teil, dessen Wegdifferenz sich bei einer Aufspaltung nicht stark voneinander unterscheiden sollte. Im Physikpraktikum sagte man uns, dass die Kohärenzlänge 30 cm nicht wesentlich überschreiten sollte. Das hat auch experimentell gut geklappt, bei 50 cm lief nichts mehr.
Wäre die Kohärenzlänge [mm] <\lambda, [/mm] könnte man z.B. mit einem Interferrometer gar nichts anfangen. Bei einem Gitter kommen zum 1. Nebenmaximum Wellen mit [mm] 1\lambda, 2\lambda, 3\lambda, 4\lambda, 5\lambda,... [/mm] zusammen - die würden ja gar kein Interferenzmuster mehr ergeben.
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