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Zur Entdeckung der Wellennatur des Lichts



Von der geometrischen Optik
zur Entdeckung der Wellennatur des Lichts

Trotz vielfältiger Bemühungen, die bis in die Antike zurückreichen. ist es Gelehrten und Wissenschaftlern bislang noch nicht gelungen, eine allgemeingültige Theorie über die Natur des Lichts zu entwerfen. Dabei erscheint uns das Licht als ein alltägliches und zugleich lebensnotwendiges Naturphänomen, durch das überhaupt erst die Sichtbarkeit der gegenständlichen Welt um uns herum gewährleistet wird. Schließlich kann man sogar davon ausgehen, dass uns das Licht sowohl den Ursprung als auch den Schlüssel zur Wahrnehmung alles Sichtbaren liefert. Wie könnte uns die Welt jemals in ihrer Farbenpracht vor Augen treten, wenn sie nicht vom Licht erfüllt wäre? Und wie sollten wir überhaupt einen auf Erkenntnis zielenden Zugang zur Natur finden können, wenn uns der Weg dorthin nicht durch die erhellende Kraft des Lichts gewiesen würde? Goethe, der diesen Fragen in zahlreichen Studien nachgegangen ist. hat die besondere Bedeutung des Lichts einmal auf poetische Weise in folgenden Versen zum Ausdruck gebracht:

"Wär' nicht das Auge sonnenhaft.
Wie könnten wir das Licht erblicken?
Lebt' nicht in uns des Gottes eigene Kraft,
Wie könnt' uns Göttliches entzücken?"

Ähnlich wie Goethe waren bereits einige Gelehrte der Antike bei ihren naturwissenschaftlichen Überlegungen von einer engen Beziehung des wahrnehmenden Auges zur Natur des Lichts ausgegangen. So soll beispielsweise der griechische Philosoph Epikur der Meinung gewesen sein, dass das Sehen durch ein Ausströmen der Bilder aus den Augen erfolge. Eine weitere Hypothese, die von Hipparch vertreten wurde, war, dass die Quelle des Lichts in den Augen liege, von wo aus sich Lichtstrahlen zu den äußeren Gegenständen erstrecken würden. Platon dagegen behauptete, dass das Licht nicht allein aus den Augen, sondern auch von den Gegenständen bis auf eine gewisse Entfernung ausströme, so dass die beiderseitigen Strahlen einander entgegenkommen und durch ihr Zusammentreffen die Empfindung des Sehens erregt werde.

Die beiden Philosophen Chrysippus und Apollodorus wiederum vertraten eine Auffassung, die sich auch bei Euklid wiederfindet. Bei ihnen heißt es, das Sehen erfolge, indem das Licht zwischen dem Auge und einem Gegenstand die Gestalt eines Kegels annehme, dessen Spitze am Auge und dessen Grundfläche am Gegenstand sei.

300 v. Chr. hat Euklid sich dann in seiner Schrift über die Optik darum bemüht diese Überlegung in eine exakte mathematische Form zu bringen. Hierauf gründete sich dann die Theorie einer geometrischen Optik, die bis in das späte 17. Jahrhundert hinein das Denken über die Natur des Lichts nachhaltig geprägt hat. Auf der Grundlage jener geometrischen Optik gelangten die Gelehrten zu ~er Auffassung, dass Licht sich strahlenförmig auf geradlinigen Bahnen im Raum ausdehnen müsse (Abb. 1). Diese Denkweise wurde zusätzlich dadurch bekräftigt, dass man überzeugt war, die Lichtstrahlen beispielsweise der Sonne direkt sehen zu können, wenn das Sonnenlicht durch Wolken hindurchfällt oder wenn es durch eine kleine Öffnung in ein verdunkeltes Zimmer gelangt.

Gegen Ende des 17. Jahrhunderts verloren diese Vermutungen dann allmählich ihre Gültigkeit, als mit der Emmissions- oder Korpuskeltheorie und der Ondulations- oder Wellentheorie zwei einander widerstreitende Auffassungen über die natürliche Beschaffenheit des Lichts aufkamen.
Die erste dieser beiden Theorien, die von Isaac Newton (1643-1727) vertreten wurde, bleibt jedoch noch weitgehend der geometrischen Optik verhaftet. Sie besagt, dass es sich bei Lichtstrahlen eigentlich um winzige, rasch fliegende Korpuskeln oder Partikelchen handelt, die Geschossen vergleichbar, von einer Lichtquelle ausgehend, auf geradlinig verlaufenden Bahnen durch den Raum katapultiert werden. Treffen diese Partikelchen hierbei auf ein Hindernis, so prallen sie wie Billardkugeln von diesem ab und verändern entsprechend die Richtung ihrer Flugbahn.

Dieser Behauptung Newtons trat Christian Huygens (1629-1695) mit einer vollkommen neuen Erkenntnis entgegen, die er 1690 in seiner Schrift "Tractatus de lumini" (Abhandlung über das Licht) dargelegt hat. Ebenso wie der Schall, so meinte Huygens, müsste auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden werden. Die geometrische Optik vernachlässigend, legte er der räumlichen Ausdehnung des Lichts einen wellenförmigen Bewegungsverlauf zugrunde. Zugleich führte er damit die besondere Erscheinungsform des Lichts auf ein allgemeingültiges Prinzip zurück, dessen Gültigkeit sich über Schall- und Lichtwellen hinausgehend, auf sämtliche in der Natur vorkommenden Wellenphänomene erstreckt. Diesem Prinzip zufolge pflanzen Wellen, gleich welcher Art, die von einem Erregungszentrum ausgehen, sich in alle Richtungen des Raumes fort.
Allerdings vermochte Huygens sich mit dieser Erkenntnis nicht gegenüber der damals hochgeachteten Autorität Newtons zu behaupten, weshalb zunächst ein weiteres Jahrhundert verstrich, bis die Welle Theorie des Lichts dann schließlich doch den Sieg davontrug. Jedoch bedurfte es hierzu noch der Entdeckung zweier optischer Phänomene, deren Auftreten einzig mit Hilfe der Wellentheorie zu erklären ist.


Elektromagnetische Schwingungen

In dem Huygens davon ausging, dass das Licht sich in ähnlicher Weise fortpflanzt wie der Schall, war er auf ein Phänomen gestoßen, welches eigentlich die Richtigkeit seiner Überlegungen hätte in Frage stellen müssen. Denn während Schallwellen sich im luftleeren Raum nicht fortpflanzen können, bleibt die Fortpflanzung des Lichts hiervon unbeeinträchtigt. Um aber dennoch an seiner Theorie festhalten zu können, nahm Huygens zur Lösung dieses Problems hypothetisch die Existenz eines Stoffes an, den er als Lichtäther bezeichnete. Diesem Stoff sprach er die Fähigkeit zu, dass er alle Materie durchdringen, sich in den ungeheuren Weiten des Weltraumes ausbreiten und sogar jeden "leeren" Raum noch erfüllen könne.

Obwohl zwar mittlerweile erwiesen ist, dass es zur Fortpflanzung von Lichtwellen keines derartigen Stoffes bedarf, spricht man bisweilen auch heute noch davon, dass Wellen durch den Äther geschickt werden, wenn z.B. von Rundfunksendungen die Rede ist. Dennoch wurde die mechanische Äther-Theorie bereits im Jahre 1864 von dem schottischen Mathematiker Clerk Maxwell (1831-1879) widerlegt, indem er das Licht als ein elektromagnetisches Phänomen darstellte. Seitdem wird das sichtbare Licht als ein relativ schmaler Bereich aus einem weiten Spektrum elektromagnetischer Schwingungen definiert. Da aber alle elektromagnetischen Wellen sich mit der sogenannten Lichtgeschwindigkeit von ca. 300000 km/s fortpflanzen, einzelne Wellen jedoch über ein unterschiedliches Maß an Energie verfügen, müssen sich zwangsläufig entsprechend unterschiedlich lange Wellenzüge ergeben.

Während beispielsweise energiearme Radiowellen relativ langwelliger Natur sind, bewegen sich energiestarke Röntgen- bzw. Gammastrahlen entsprechend kurzwelliger durch den Raum. Für das menschliche Auge sind jedoch allein elektromagnetische Schwingungen als Licht sichtbar, die sich mit Wellenlängen zwischen 400 und 750 nm (1 Nanometer = 1 millionstel Millimeter) ausdehnen.
Die Ermittlung der spezifischen Wellenlängen erfolgt durch die Entfernungsbestimmung der beiden höchsten Punkte zweier aufeinanderfolgender Wellenberge. Anders als bei der mechanischen Fortbewegung von Wasserwellen handelt es sich jedoch, wie bereits erwähnt, bei Lichtwellen um ein elektro-magnetisches Phänomen, weshalb die Bezeichnung Welle nur eine verbildlichte Annäherung an das darstellen kann, was sich an einzelnen Punkten im Bewegungsablauf des Lichts tatsächlich ereignet.

Während Licht sich im Raum ausdehnt, erzeugt es an jedem Punkt seiner Bewegungsrichtung elektromagnetische Felder von unterschiedlicher Intensität. Die Stärke dieser Felder unterliegt im Verlauf der Bewegung gewissen Schwankungen, woraus sich die graphische Darstellung einer sinusförmig verlaufenden Wellenbewegung ableiten lässt. Somit bringt eine Bestimmung entsprechender Wellenlängen hauptsächlich zum Ausdruck, welch starken Intensitätsschwankungen die elektromagnetischen Felder an einzelnen Punkten des Lichtweges ausgesetzt sind. Aus der Regelmäßigkeit dieser Schwankungen kann dann wiederum der wellenförmige Verlauf des Lichts abgeleitet werden.

Die Punkte, an denen die stärksten elektromagnetischen Felder entstehen, werden als Amplituden bezeichnet. Sie sind mit den höchsten Erhebungen der Wellenberge identisch. Da das Licht sich kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 300000 km/s fortbewegt, braucht man theoretisch also nur den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Amplituden zu messen, um die Strecke bestimmen zu können, die das Licht in der Zwischenzeit zurückgelegt hat. Auf diese Weise lassen sich annähernd genau die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts ermitteln.


Farbige Lichtwellen

Obwohl gewöhnliches Licht, wie es etwa von der Sonne oder einer Glühlampe erzeugt wird, in der Regel weiß in Erscheinung tritt, sind darin dennoch viele verschiedene (Licht-)Farben enthalten. Beobachtet man beispielsweise weißes Lieht, wie es durch ein Prisma hindurchfällt, so kann man feststellen, dass dabei Lichtschatten in den Farben rot, orange, grün, gelb, indigoblau und violett entstehen. Einem ähnlichen Phänomen begegnet man ferner in der Natur, wenn am Himmel ein Regenbogen zu sehen ist, der sich aus den gleichen Farben zusammensetzt. Verfolgt man diesen Prozess in umgekehrter Richtung, so ist es möglich, mit den unterschiedlichen Farben des Regenbogens wiederum weißes Licht zu erzeugen. Dabei benötigt man nicht einmal sämtliche der eben erwähnten Farben, so dass bereits mit rotem, grünem und blauem Licht weißes Licht hervorgerufen werden kann. Somit handelt es sich also bei weißem Licht um ein Mischlicht, welches in verschiedenfarbige Bereiche bzw. Spektren zerlegbar ist. Versuche dieser Art wurden erstmals von Newton durchgeführt und in seinem 1704 erschienenen Buch über die Optik dargelegt.

Gegen Anfang des 20. Jahrhunderts, also etwa 200 Jahre später, fanden Physiker wie etwa der Däne Niels Bohr und der Deutsche Arnold Sommerfeld heraus, dass sich farbiges Licht auf unterschiedlichen Spektrallinien mit einer jeweils spezifischen Wellenlänge bewegt. Demzufolge verfügt also jede (Licht-)Farbe über eine genau zu bestimmende Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums, welcher sich von ungefähr 750mm für rotes Licht bis 400 nm für violettes Licht erstreckt. Die Wellenlängen aller anderen Farben bewegen sich entsprechend in dem Bereich dazwischen, während das weiße Mischlicht sich aus der Summe dieser unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt.


Interferenz

Die Wellennatur des Lichts ist im wesentlichen durch zwei besondere Eigenschafen gekennzeichnet, deren Entdeckung entscheidend zur Bestätigung der Wellentheorie des Lichts beigetragen hat. Es handelt sich dabei um die optischen Phänomene der Interferenz und der Beugung.

Als erste dieser beiden Eigenschaften wurde im Jahre 1807 das Phänomen der Interferenz oder Überlagerung zweier Lichtwellen von dem englischen Wissenschaftler Thomas Young (1773-1829) in einem Experiment nachgewiesen und begründet.
Zu diesem Zweck hatte Young einen Sonnenlichtstrahl in zwei gleiche Strahlen geteilt, indem er ihn parallel durch zwei Lochblenden in einen verdunkelten Raum hineinfallen ließ. Unter bestimmten physikalischen Bedingungen wirken diese beiden Lochblenden dann selbst wiederum als sogenannte sekundäre Lichtquellen, deren Lichtwellen sich nahezu identisch in einer Richtung fortpflanzen. In einem entsprechenden Abstand kommt es dabei zu einer Überlagerung beider Wellen, wodurch schließlich das Phänomen der Interferenz hervorgerufen wird. Young entdeckte, dass an der Stelle, wo beide Wellen sich überlappen, einregelmäßiges Muster aus hellen und dunklen Streifen entsteht. Obwohl dort gewissermaßen die doppelte Menge Licht vorhanden sein müsste, schien es doch, als sei in den dunklen Streifen ein Teil des Lichts gänzlich ausgelöscht worden, während sich in den hellen Streifen die Energie des Lichts erhöht hatte.

Theoretisch ist diese Entdeckung Youngs wie folgt zu erklären (wobei zu berücksichtigen ist dass zur Durchführung des Experiments besondere Lichtverhältnisse unbedingt erforderlich sind): Hätte Young sich beispielsweise anstatt der beiden Lochblenden zweier gesonderter Lichtquellen bedient, so hätte er nicht jene hellen und dunklen Streifen, sondern nur eine gleichmäßig ausgeleuchtete Fläche beobachten können. Youngs Experiment hingegen basiert im wesentlichen darauf, dass zunächst das Licht einer Lichtquelle in zwei gleiche Wellenzüge geteilt und anschließend wieder zur Überlagerung gebracht wird.

Um nachvollziehen zu können, was dabei geschieht, stelle man sich der Einfachheit halber zwei sinusförmig verlaufende Wellenzüge mit gleicher Bewegungsrichtung vor. Ihre Wellenlänge ist identisch, und handelte es sich bei ihnen tatsächlich um Lichtwellen, dann würde das Licht einfarbig in Erscheinung treten.

Das Verhältnis, in dem beide Wellen sich zueinander im Raum bewegen, läßt sich als zeitlich konstante Phasenbeziehung beschreiben. Ihre Schwingungen können entweder in Phase, d.h. in genauem Gleichtakt, oder aber phasenverschoben, in einem entsprechenden zeitlichen Abstand zueinander verlaufen.

Gemäß der Differenzen, die in der Phasenbeziehung auftreten können, ist eine Überlagerung der beiden Wellen in mehrfacher Weise denkbar. Zum einen ist es möglich, dass Wellenberge und Wellentäler der einen Welle mit Wellenbergen und Wellentälern der anderen Welle zusammentreffen. In diesem Fall ergänzen sich beide Wellen derartig, dass daraus eine neue Welle entsteht, die über eine doppelt so hohe Energie verfügt. Diese Überlagerungssituationen bezeichnet man auch als "konstruktive Interferenz". Konstruktiv deshalb, da hierbei eine Verdopplung der Intensität des Lichts eintritt.

Zum anderen ist es möglich, dass zwei phasenverschobene Wellen aufeinandertreffen, d.h. Wellenberge der einen Welle überlagern sich mit Wellentälern der anderen Welle und umgekehrt. In diesem Fall kommt es allerdings nicht zu einer Steigerung, sondern zu einer gänzlichen Auslöschung der ursprünglichen Lichtenergie. Das Resultat ist ein Intensitätsverlust, weshalb diese Art der Überlagerung auch als "destruktive Interferenz" bezeichnet wird.

Was also im ersten Fall an Energiezuwachs zu verzeichnen ist, geht im anderen Fall im entsprechenden Maß verloren, so dass durch das gleichmäßige Auftreten von konstruktiven und destruktiven Interferenzen insgesamt ein bestimmtes energetisches Gleichgewicht des Lichts wieder hergestellt wird. Zu beobachten ist das an dem Phänomen der hellen und dunklen Streifen, die Young mit seinem Interferenz-Experiment hervorgerufen hatte. Dabei entstehen die hellen Streifen immer genau dort, wo sich konstruktive Interferenzen ereignen, während in den dunklen Streifen die Energie des Lichts durch das Auftreten destruktiver Interferenzen ausgelöscht wird.


Kohärenz

Interferenzphänomene wie sie vorangehend beschrieben wurden, können nicht mit jeder beliebigen Lichtquelle erzeugt werden. Vielmehr sind dafür Lichtquellen erforderlich, von denen Lichtstrahlen mit gleicher Wellenlänge angeregt werden. Ist eine derartige Voraussetzung nicht erfüllt, so kann mit der Zusammenführung zweier Lichtstrahlen einzig eine gleichmäßige Ausleuchtung, nicht aber die Entstehung eines Interferenzmusters erzielt werden.

Trotzdem handelt es sich bei der Interferenz aber um ein allgemeines wellenoptisches Phänomen, das nicht nur auf experimentellem Wege herbeigeführt, sondern auch als eine natürliche Erscheinung auftreten kann. So werden etwa die sogenannten Newtonschen Ringe in glasgerahmten Diapositiven ebenso durch Interferenzen hervorgerufen wie die verschiedenfarbigen Schlieren, die oftmals auf der Oberfläche von Seifenblasen oder auf ölverschmiertem Wasser zu beobachten sind.

Natürliche Interferenzphänomene dieser Art kommen immer dann zustande, wenn das im weißen Mischlicht enthaltene farbige Licht gleicher Wellenlänge sich in bestimmten Situationen zu konstruktiven Interferenzen überlagert. Auf diese Weise entstehen jeweils einfarbige Streifensysteme, die gemeinsam ein regenbogenfarbiges Muster ergeben.
Diese in der Natur auftretenden Interferenzmuster unterscheiden sich jedoch von den experimentell herbeigeführten durch ein hohes Maß an Unregelmäßigkeit. Will man jedoch ein regelmäßiges Interferenzbild erzeugen, so bedarf es zunächst entsprechend geordneter Lichtverhältnisse. Wodurch unterscheiden diese sich aber von der Beschaffenheit des normalen weißen Lichtes wie es etwa durch die Sonne oder von einer gewöhnlichen Glühbirne erzeugt wird?

Zur Klärung dieser Frage ist es sinnvoll sich nochmals der wellenförmigen Natur des Lichts zuzuwenden. Anders als Wasserwellen, die sich einzig auf der Oberfläche eines Sees ausbreiten, schwingen die elektromagnetischen Wellen des Lichts gewöhnlich in allen drei Dimensionen des Raumes. Licht, das beispielsweise von einer Glühbirne ausgeht, erfüllt sogleich den gesamten Raum mit Helligkeit. Die einzelnen Lichtstrahlen sind dabei bestrebt, sich in allen Richtungen zu verteilen. Hinzu kommt, dass dieser Vorgang sich mit einer Vielzahl unterschiedlich langer Wellenzüge vollzieht.

Somit herrscht in einem hell erleuchteten Raum ein chaotisches Gewirr von ungeordnet verlaufenden Wellenzügen. Zufällig zustande kommende Interferenzen werden darin sogleich von dem herrschenden Chaos derartig gestört, dass daraus kaum ein regelmäßiges Muster ersichtlich wird.
Um aber dennoch mit Hilfe des Lichts, gezielt Interferenzen bewirken zu können, ist es notwendig, das herrschende Wellenchaos in geordnete Bahnen zu lenken. Dieser Vorgang hat in zwei Schritten zu erfolgen.
Zum einen muss verhindert werden, dass die Lichtwellen den gesamten Raum ausfüllen; zum anderen müssen aus dem Chaos Lichtwellen mit gleicher Wellenlänge aussortiert werden, so dass schließlich nur noch monochromatische, d.h. einfarbige Lichtwellen übrig bleiben, welche sich mit gleich verlaufender Wellenbewegung in genau einer Richtung fortpflanzen. Die besondere Beschaffenheit dieses Lichts bezeichnet man als "Kohärenz". Die Eigenschaft der Kohärenz kann aber noch in die Kategorien der räumlichen und der zeitlichen Kohärenz unterteilt werden.

Als "räumlich kohärent" bezeichnet man Licht dann, wenn einzelne Lichtwellen in gleicher Bewegungsrichtung und in ein und derselben Ebene schwingen. Licht hingegen, das sich "zeitlich kohärent" verhält, ist in der Regel streng monochromatisch. Es wird erzeugt, indem mit Hilfe eines sogenannten Spektralfilters ein bestimmter Wellenbereich aus dem sichtbaren Spektrum elektromagnetischer Schwingungen herausgefiltert wird. Je schmaler dieser Spektralbereich ist, desto größer ist auch die sogenannte "Kohärenzlänge" des Lichts. Theoretisch müsste die Kohärenzlänge dementsprechend bei streng einfarbigem Licht unendlich sein, was praktisch jedoch kaum zu realisieren ist. Die Kohärenzlänge, die sich von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern bzw. ins Unendliche erstrecken kann, bezeichnet einen räumlichen Bereich, in dem es zu Interferenzen zweier kohärenter Lichtwellen kommen kann.

Wenngleich es zwar mittels jeder normalen Lichtquelle durch räumliche und spektrale Filterung möglich ist, Licht mit einem bestimmten Kohärenzgrad zu erzeugen, ist das dabei gewonnene Licht dennoch nur wenig geeignet, um damit Interferenzmuster deutlich sichtbar hervortreten zu lassen. Begründen lässt sich das durch den überaus hohen Intensitätsverlust des Lichts, der in diesem Fall durch den Prozess der Filterung eintritt. Demgegenüber ist es jedoch durch die Erfindung des Lasers möglich geworden, kohärentes Licht von hoher Intensität und relativ großen Kohärenzlängen künstlich zu erzeugen.


Beugung

Erste Beobachtungen des Beugungsphänomens, der anderen wesentlichen Eigenschaft des Lichts, mit der sich die Wellenmuster desselben belegen lässt, können bis in das Jahr 1665 zurückverfolgt werden, als der Jesuitenpater Francesco Grimaldi (1613-1663) in einem zwei Jahre nach seinem Tod erschienenen Buch über seltsame Ränder von Schatten berichtete.

Grimaldi hatte bemerkt, dass kleine undurchsichtige Gegenstände, die in gebündeltes Sonnenlicht gestellt werden, keinen scharfen Schattenrand entstehen lassen. Statt einer klaren Schattengrenze entdeckte er dabei einen allmählichen Übergang vom Hellen ins Dunkle. Bisweilen erscheinen in jenen Randbereichen sogar abwechselnd helle und dunkle Streifen oder Farberscheinungen.

Grimaldi benannte dieses Phänomen des Lichts nach dem lateinischen Wort "diffractio". Newton, der diesen Vorgang später ebenfalls entdeckte, bezeichnete ihn als "inflection", was ins Deutsche mit "Beugung" übersetzt wird. Diese Bezeichnung deutet bereits darauf hin, dass Lichtstrahlen sich offensichtlich nicht nur geradlinig bewegen, sondern an den Rändern von Objekten aus ihrer Richtung abgelenkt oder gebeugt werden.

Eigentlich hätten die Gegenstände, die Grimaldi ins Licht stellte, gemäß der damals angenommenen strahlenförmig geradlinigen Ausdehnung des Lichts, ein scharf umrissenes Schattenbild werfen müssen. Anstatt dessen zeigte sich aber, dass entgegen der geometrischen Optik immer auch ein Teil des Lichts in den Bereich des Schattens hineinfällt. Damit stand fest, dass Licht sich, wenn auch nur in geringem Grad, um einen Gegenstand herumbewegen kann. Wie ist es aber möglich und in welchem Zusammenhang steht das mit den lnterferenzmustern, die Grimaldi an den Schattenrändern beobachtete?

Eine Lösung dieses Problems führte dann der Franzose Jean-Augustin Fresnel (1788-1827) herbei. Bei seiner Deutung griff er auf eine weitere Theorie Huygens zurück, die als Huygenssches Prinzip bezeichnet wird. Diesem Prinzip entsprechend verhält sich jeder schwingende Punkt in einer Wellenbewegung so, dass er wiederum das Wellenzentrum für eine neu entstehende Welle bildet; d.h. dass eine Welle aus sich heraus immer zugleich eine Vielzahl neuer sogenannter Elementarwellen erzeugt.

Fresnel fand dann heraus, dass sich die Elementarwellen gegenseitig durchdringen und durch das Auftreten destruktiver Interferenzen teilweise auslöschen. Aus diesem Grund findet eine Fortpflanzung der einzelnen Elementarwellen nur in einer Richtung statt, wobei durch konstruktive Interferenzen eine fortschreitende Wellenfront entsteht.

Trifft nun eine derartige Wellenfront einzelner Elementarwellen auf ein Hindernis, so werden die Wellen, die sich dem Rand dieses Hindernisses am nächsten befinden, nicht mehr durch destruktive Interferenzen ausgelöscht, da sie sich nicht mehr mit anderen Elementarwellen überlagern können. Sie breiten sich ungestört in dem Raum hinter dem Hindernis aus. Zugleich führt das dazu, dass sich die ursprünglichen Interferenzpositionen innerhalb der Wellenfront verschieben. Dabei entsteht an den Rändern des Hindernisses eine neue Wellenfront, die sich mit der ungehinderten Wellenfront überlagert, wodurch die von Grimaldi beobachteten Interferenzstreifen hervorgerufen werden.

Handelt es sich bei dem Hindernis beispielsweise um eine schmale Spaltblende, so entsteht ein streifenförmiges Interferenzmuster. Während bei einer winzigen Lochblende ein kreisförmiges, schießscheibenähnliches Interferenzbild erscheint, welches nach seinem Entdecker auch als "Fresnelsche Zonenplatte" bezeichnet wird.

Mit den Entdeckungen Fresnels, die sich einzig mit dem Huygensschen Prinzip theoretisch begründen ließen, wurde schließlich der endgültige Beweis für die Richtigkeit der Wellentheorie des Lichts erbracht, die bis heute ihre Gültigkeit aufrechterhalten hat, wenngleich ihr zwar mit der Quantentheorie des Lichts gegen Anfang des 20. Jahrhunderts eine weitere Theorie gleichberechtigt hinzugetreten ist.

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© Stefan Kremer, April 2001


http://www.holographie-online.de/wissen/grundlagen/wellennatur/wellennatur.html



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