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Interferenz am polychromatischem Licht?
 
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CmIyCyI
Gast





Beitrag CmIyCyI Verfasst am: 15. Apr 2018 13:35    Titel: Interferenz am polychromatischem Licht? Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo Leute!

Da ich bald eine wichtige Prüfung schreibe, habe ich mal wieder meine Physik Kenntnisse aufgefrischt. Dabei bin ich aber auf etwas gestoßen was ich einfach nicht verstehe:

Ich habe früher gelernt und auch jetzt immer wieder nachgelesen, dass Licht am besten dann interferiert wird, wenn es kohärent ist.
Daher wird bei Versuchsanordnungen immer kohärentes Laserlicht benutzt oder hinter normales Licht ein Kohärenzspalt gepackt der für die nötige Kohärenz sorgt.

Nun zu meinem Problem: ich dachte Kohärenz bedeutet bei gleicher Frequenz eine feste Phasenverschiebung zu besitzen, oder etwa nicht? Also sollte kohärentes Licht nur EINE Frequenz / Wellenlänge besitzen.

So ergab das auch völlig Sinn für mich. Monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge wird am Gitter gebeugt und bildet Maxima und Minima nach der Formel




Nur habe ich nun folgende Aufgabe gefunden:
1. "Skizzieren sie eine mögliche Anordnung zur Erzeugung eines Spektrums
mithilfe eines optischen Gitters und beschriften Sie diese!"

Hier wird als Lösung eine einfach Interferenz am Gitter angegeben. Das verstehe ich ja auch. Das Licht wird am Gitter gebeugt und es enstehen Maxima und Minima. Die Maxima sind hier die Spektrallinen.
Nun wird es aber verwirrend für mich:

2. " Licht eines atomaren Gases mit Spektrallinen zwischen 446 nm und 707 nm werden am Gitter gebeugt.
Erklären Sie, weshalb das Licht des Gases durch das optische Gitter spektral zerlegt wird, und beschreiben Sie die Abbildung auf dem Projektionsschirm"


Die Entstehung der diskreten Spektrallinen zwischen 446 und 707 nm kann man ja durch die Bohrschen Postulate erklären.

Und warum es zerlegt wird ist ja auch klar: Interferenz. Nun steht in der Lösung:

"Das Licht des leuchtenden Gases besteht aus Farbanteilen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Somit kommt es gemäß der Gleichung :



zu einer wellenlängenabhängigen Beugung. Jeder Farbanteil wird in einem bestimmten Abstand zum 0. Maximum abgebildet.

Von der Formel her macht das sogar Sinn. Wenn die Wellenlänge größer ist, wird der Winkel größer und das 1. Maximum von längerwelligem Licht ist weiter weg von der Mitte (dem 0. Maximum) als kurzwelliges Licht.

Nur dachte ich, dass nur monochromatisches (also kohärentes) Licht interferiert werden soll!

Da mir das sehr suspekt vorkam habe ich bei meinem älteren Bruder die notwendigen Vorrichtungen besorgt, um das Experiment selbst durchzuführen.

Wenn ich Laserlicht benutze klappt alles.
Es ensteht immer ein Maxima und ein Minima der k ten Ordnung.
Wenn ich nun normales Licht benutze, und es durch einen Kohärenzspalt sowie eine Linse lasse, ensteht wirklich das was angegeben ist.
Das erste Maxima besteht aus rot,blau etc. wobei rotes Licht (da größere Wellenlänge) auch ganz außen bei den Maxima ist, und blau-violettes Licht innen.

Heißt die Lösung scheint richtig zu sein. Nur ergibt das doch keinen Sinn!
Ich dachte nur monochromatisches (also einfarbiges) Licht darf benutzt werden! Sollte der Kohärenzspalt nicht genau dafür sorgen? Trotzdem kommen mehrere Wellenlängen durch. Das macht doch keinen Sinn!

Kann auch inkohärentes so einfach Licht am Gitter interferieren?

Oder verstehe ich gar den Begriff Kohärenz falsch, und es dürfen auch mehrere Wellenlängen durchgehen? Nur was heißt dann Kohärent?


Ich hoffe wirklich jemand kann mir helfen! Und sorry für den viel zu langen Text :)



Meine Ideen:
.,.
elbilo



Anmeldungsdatum: 12.02.2018
Beiträge: 152

Beitrag elbilo Verfasst am: 15. Apr 2018 13:57    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn du weißes Licht am optischen Gitter beugst, so interferieren nur die Wellen gleicher Wellenlänge miteinander, d.h. einfach ausgedrückt, es interferiert z.B. rotes Licht nur mit rotem Licht. Am Spalt werden, wie du auch richtig erkannt hast, die im weißen Licht enthaltenen unterschiedlichen Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln gebeugt (der Beugungswinkel ist proportional zur Wellenlänge), wodurch du das gesamte Spektrum des weißen Lichts am Schirm beobachten kannst. Für das rote Licht spielt es also keine Rolle, ob auch Licht anderer Wellenlänge am Spalt gebeugt wird, da es nur mit Wellen gleicher Wellenlänge interferiert.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3384

Beitrag ML Verfasst am: 15. Apr 2018 14:14    Titel: Re: Interferenz am polychromatischem Licht? Antworten mit Zitat

Hallo,

CmIyCyI hat Folgendes geschrieben:

Ich habe früher gelernt und auch jetzt immer wieder nachgelesen, dass Licht am besten dann interferiert wird, wenn es kohärent ist.
Daher wird bei Versuchsanordnungen immer kohärentes Laserlicht benutzt oder hinter normales Licht ein Kohärenzspalt gepackt der für die nötige Kohärenz sorgt.

Es interferiert (überlagert sich) immer. Die Interferenzmuster siehst Du aber am besten bei kohärentem Licht.

Zitat:

Nun zu meinem Problem: ich dachte Kohärenz bedeutet bei gleicher Frequenz eine feste Phasenverschiebung zu besitzen, oder etwa nicht? Also sollte kohärentes Licht nur EINE Frequenz / Wellenlänge besitzen.

Die Vorstellung, die man bei kohärentem Licht hat ist, dass die Wellenberge und Wellentäler (z. B. der E-Feldstärke) ganz gleichmäßig nacheinander beim Empfänger ankommen, ohne dass Unterbrechungen oder Phasensprünge enthalten sind. Amplitudenschwankungen sollten theoretisch auch nicht vorherrschen, sie stören aber (wenn sie nicht ganz gravierend sind) nur wenig.

Der Gedanke dahinter ist folgender:
Bei Interferenzexperimenten verzögert man manche Anteile der Welle zeitlich ein wenig und überlagert sie dann mit den unverzögerten Anteilen der Welle.
Beispiel am Doppelspalt: Die Laufzeit zwischen Spalt 1 und einem Punkt auf dem Schirm unterscheidet sich von der Laufzeit zwischen Spalt 2 und demselben Punkt auf dem Schirm.
Die Vorstellung, die zu den Interferenzmustern führt ist dann, dass man ein Signal mit einer leicht zeitverzögerten Kopie desselben Signals überlagert.
Das geschieht in der Praxis nur dann, wenn die Wellenzüge ausreichend lang sind, so dass das verzögerte Licht immer noch zum gleichen Wellenzug gehört wie das weniger verzögerte Licht.
Wählt man die Laufzeitunterschiede zu groß (d. h. die Kohärenzlänge ist zu gering), dann gehören das unverzögerte Licht und das verzögerte Licht zu unterschiedlichen Wellenzügen. Da nun normalerweise die Phasenbeziehung zwischen verschiedenen Wellenzügen zufällig ist, ergeben sich auch zufällige Überlagerungen, und es kommt nicht zu dem bekannten Interferenzmuster.

Es ist übrigens nicht richtig, dass kohärentes Licht unbedingt monochromatisch sein muss. Es gibt auch kohärente Signale mit mehreren Frequenzen. Schau Dir dazu beispielsweise das Signal

an. Das ist kohärent, aber nicht monofrequent.

Die Umkehrung gilt aber schon: Ideal monofrequentes Licht ist kohärent.

Zitat:

Ich dachte nur monochromatisches (also einfarbiges) Licht darf benutzt werden!

Nein, mehrfarbiges geht auch. Es gibt hier eine ganz normale Überlagerung zwischen den verschiedenen Frequenzanteilen.

Zitat:

Kann auch inkohärentes so einfach Licht am Gitter interferieren?

Ganz inkohärentes Licht nicht. Aber so ein Licht gibt es m. E. auch gar nicht. Eine gewisse Kohärenzlänge hat Licht immer.


Viele Grüße
Michael
CmIycyI
Gast





Beitrag CmIycyI Verfasst am: 15. Apr 2018 15:47    Titel: Antworten mit Zitat

Vielen Dank für die Antwort!

Das würde also bedeuten, dass Interferenz wirklich immer möglich wäre, es aber bei monochromatischem Licht am besten geht.

Ok. Kohärent bedeutet also nicht monochromatisch, sondern einfach, dass jene Teile des Lichts die die gleiche Frequenz haben, eine feste Phasenbeziehung zueinander haben?
Das würde erklären, wieso es Aufgaben mit monochromatischem Licht gibt, und Aufgaben bei denen mehrere Wellenlängen gebeugt werden.

Nur wieso funktioniert das?
Bei monochromatischem Licht ist es ja vorstellbar: genau identische Wellen aus mehreren Spalten mit immer gleichem Abstand überlagern sich an manchen Punkten völlig (wenn Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge) und an manchen zerstören sie sich gegenseitig
(wenn Gangunterschied Vielfaches der Wellenlängenhalben) .

Nur wenn nun auch die Wellenlängen völlig unterschiedlich sind, müssten sie sich doch gegenseitig stören, und es sollte so gut wie gar kein Interferenzmuster enstehen oder nicht?

Trotzdem ensteht bei der Beugung von normalem Licht ein halbwegs akkurates Interferenzmuster.

Das verstehe ich leider immer noch nicht .

Grüße!
CmIYCyI
Gast





Beitrag CmIYCyI Verfasst am: 16. Apr 2018 07:48    Titel: Antworten mit Zitat

Ich habe den Versuch am optischem Gitter nochmal ausgeführt und das Ergebnis wäre jetzt wohl halbwegs logisch:

Mit Laserlicht entsteht ein echt scharfes Interferenzmuster.

Mit weißem Licht ensteht ein bestenfalls halb so scharfes Muster, bei dem die Maxima innen eher bläulich und außen eher rot- violett sind.

Die verschiedenen Farben enstehen dadurch, dass Lichtfarben mit größeren Wellenlängen stärker gebeugt werden.

Die "Unschärfe" des Bildes dadurch, dass das Licht polychromatisch ist und sich die unterschiedlichen Wellenlängen (Im Gegensatz zum monochromatischem Laserlicht) ein bisschen im Weg sind.

Richtig?
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3384

Beitrag ML Verfasst am: 16. Apr 2018 08:33    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

CmIycyI hat Folgendes geschrieben:

Trotzdem ensteht bei der Beugung von normalem Licht ein halbwegs akkurates Interferenzmuster.

Da das Ausbreitungsmedium linear ist, kannst Du von einer linearen Überlagerung ausgehen.
Du überlegst Dir also zuerst, wie der Rotanteil aus Spalt 1 mit dem Rotanteil aus Spalt 2 interferiert, dann wie der Grünanteil aus Spalt 1 mit dem Grünanteil aus Spalt 2 interferiert usw.
Auf dem Schirm erhältst Du dann die Summe aus alledem (dummerweise nicht als Summation über die Lichtintensität, sondern als Summation beispielsweise über die E-Feldstärke, was man sich nicht ganz so einfach vorstellen kann).

Die Interferenzmaxima der einzelnen Farbanteile liegen in vielen Anordnungen recht nah beieinander, so dass Du an den Interferenzmaxima Regenbogenmuster siehst.


Viele Grüße
Michael
CmIyCyfI
Gast





Beitrag CmIyCyfI Verfasst am: 16. Apr 2018 09:28    Titel: Antworten mit Zitat

Ach so! Also stören sich die unterschiedlichen Wellenlängen gegenseitig gar nicht so stark!
(Zum Beispiel das die Wellen des roten Anteils mit den Wellen des blauen Anteils interferieren) und so ensteht das Interferenzmuster.
Da dieses aber viele Maxima k ter Ordnung hat, und monochromatisches Licht eben nur ein Maxima k ter Ordnung, benutzt man lieber nur eine Wellenlänge.

Vielen Dank! Dann habe ich das jetzt auch endlich verstanden!
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