Kann sich Licht um Ecken biegen: 9 wichtige Fakten

Die Antwort ist „Ja“, Licht kann sich um Ecken biegen.

Wenn Licht um die Kanten eines Objekts geht, neigt es dazu, seinen Weg um die Ecken zu biegen. Diese Eigenschaft des Lichts wird als Beugung bezeichnet. Das Phänomen der Beugung hängt von der Lichtausbreitung ab. Um dieses Phänomen zu untersuchen, wird Licht als Welle behandelt.  

Inhalte:

Was ist Lichtbeugung?

Die Lichtbeugung bezieht sich auf das Phänomen des Biegens von Lichtwellen um die Ecken eines behindernden Objekts mit einer Größe vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts. Das Phänomen der Beugung hängt von der Lichtausbreitung ab. Um dieses Phänomen zu untersuchen, wird Licht als Welle behandelt.

Der Grad oder das Ausmaß, um den sich die Lichtstrahlen biegen, hängt von der Größe des behindernden Objekts und der Wellenlänge des Lichts ab. Wenn die Größe des Objekts im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts viel größer ist, ist das Ausmaß der Biegung vernachlässigbar und kann nicht richtig wahrgenommen werden. Wenn jedoch die Wellenlänge des Lichts mit der Größe des störenden Objekts (z. B. eines Staubpartikels) vergleichbar ist, ist das Ausmaß der Beugung hoch, dh die Lichtwellen biegen sich in größeren Winkeln. In solchen Fällen können wir die Lichtbeugung mit bloßem Auge beobachten.

LLassen Sie uns mehr darüber erfahren, wie sich Licht um Ecken biegt:

Wie kann sich Licht um Ecken biegen?

Nach der klassischen Physik wird das Phänomen der Beugung von einer Lichtwelle aufgrund ihrer Ausbreitung erfahren. Das Phänomen wurde von Christiaan Huygens und Augustin-Jean Fresnel im Huygens-Fresnel-Prinzip und dem Prinzip der Wellenüberlagerung beschrieben. Die Lichtwellenausbreitung kann visuell interpretiert werden, indem man jedes einzelne Teilchen im Ausbreitungsmedium als Punktquelle nimmt, die die sekundäre Wellenfront einer Kugelwelle erzeugt.

Die Verschiebung der Wellen von jeder Punktquelle wird zu einer Sekundärwelle addiert. Amplituden und relative Phasen jeder Welle spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der nachfolgenden Kugelwelle. Die Amplitude der resultierenden Welle kann jeden Wert annehmen, der zwischen 0 und der Addition der Einzelamplituden der Punktquellen liegt.

Daher besteht ein allgemeines Beugungsmuster aus einer Reihe von Minima und Maxima.

Nach der modernen Quantenoptik erzeugt jedes Photon, das durch einen dünnen Spalt geht, seine eigene Wellenfunktion. Diese Wellenfunktion hängt von mehreren physikalischen Faktoren wie den Abmessungen des Spaltes, dem Abstand vom Schirm und den Anfangsbedingungen der Photonenerzeugung ab. 

Das Beugungsphänomen kann qualitativ verstanden werden, indem man die relativen Phasen der Sekundärwellenfronten berücksichtigt. Die Überlagerung zweier Halbkreise von Wellen führt zu konstruktiver Interferenz. Wenn sich zwei Halbkreise von Wellen gegenseitig aufheben, entsteht destruktive Interferenz.

Beugung in der Atmosphäre:

Licht wird in der Atmosphäre gebeugt, indem es sich um die atmosphärischen Partikel biegt. Normalerweise wird das Licht von den winzigen Wassertröpfchen gebeugt, die in der Atmosphäre schweben. Durch die Lichtbeugung können Lichtsäume, helle, dunkle oder farbige Streifen entstehen. Auch der Silberstreifen, der an den Rändern von Wolken oder den Kronen des Mondes oder der Sonne beobachtet werden kann, ist ein Ergebnis der Lichtbeugung. 

Sonnenpracht beim Dampf aus heißen Quellen
Lichtkrümmung durch heißen Dampf gesehen. (kann Licht um Ecken biegen) Bildquelle: Brocken InaglorieSonnenpracht beim Dampf aus heißen QuellenCC BY-SA 3.0

Beispiele für Beugung aus dem Alltag

Einige Beispiele für Beugung oder Beugung von Licht sind in unserem täglichen Leben oft zu sehen, wie zum Beispiel:

CD oder DVD: Auf einer CD oder DVD können wir oft die Bildung eines regenbogenähnlichen Musters sehen. Dieses regenbogenähnliche Muster wird aufgrund des Beugungsphänomens gebildet. Dabei wirkt die CD oder DVD als Beugungsgitter. 

Hologram: Ein Hologramm ist so konstruiert, dass es ein Beugungsmuster erzeugt. Solche Hologramme sind oft in Kreditkarten oder Bucheinbänden zu sehen. 

Laserstrahlausbreitung: Die Änderung des Strahlprofils eines Laserstrahls wird durch das Beugungsphänomen bestimmt, das auftritt, wenn sich der Laserstrahl durch ein Medium ausbreitet. Die niedrigste aufgezeichnete Divergenz aufgrund des Bruchs wird durch eine planare, räumlich kohärente Wellenfront mit einem Gaußschen Strahlprofil bereitgestellt. Im Allgemeinen ist die Divergenz umso langsamer, je größer der Ausgangsstrahl ist.

Das Ausmaß der Divergenz eines Laserstrahls kann verringert werden, indem man den Strahl zuerst mit Hilfe einer konvexen Linse divergiert und dann den Strahl mit Hilfe einer zweiten konvexen Linse konvergiert oder kollimiert, deren Brennpunkt mit dem Brennpunkt der ersten zusammenfällt konvexe Linse. Auf diese Weise hat der resultierende Strahl im Vergleich zum ursprünglichen Strahl einen größeren Durchmesser und somit würde die Divergenz verringert.

Beugungsbegrenzte Bildgebung: Beugung begrenzt das Auflösungsvermögen eines Bildgebungssystems. Aufgrund von Ablenkung kann der Lichtstrahl nicht auf einen einzigen Punkt fokussieren. Stattdessen findet die Bildung einer Fehlerscheibe statt, die einen zentralen hellen Fleck hat, der von einem konzentrischen Kreis umgeben ist. Es zeigt sich, dass die Objektive mit einer größeren Blende Bilder feiner auflösen können. 

Einzelspaltbeugung: Die Beugung eines langen Spaltes mit vernachlässigbarer Breite wird aufgenommen. Der Spalt wird dann mit einer Punktlichtquelle beleuchtet. Nach dem Durchgang durch den Spalt wird das Licht in eine Reihe kreisförmiger Wellenfronten gebeugt. Ist der Spalt breiter als die Wellenlänge des Lichts, kann er Interferenzmuster im Raum unterhalb des Spalts erzeugen.

Wellenbeugung 4Lambda Spalt
Beugungsmuster, wie durch einen einzelnen Spalt beobachtet. kann Licht um Ecken biegen).Bildquelle: Dicklyon at Englische WikipediaWellenbeugung 4Lambda Spalt, (kann Licht um Ecken biegen) als gemeinfrei gekennzeichnet, mehr Details auf Wikimedia Commons

TDas Konzept des Biegens von Licht könnte eine Zertifizierung auslösenain qFragen in den Köpfen der Menschen. Schauen wir uns einige dieser Fragen an:

Läuft Licht geradlinig? Wenn das so ist, wie?

Licht ist eine elektromagnetische Welle und breitet sich daher in Form einer Welle aus. Allerdings ist die Wellenlänge des Lichts sehr klein. Daher wird eine Lichtwelle ungefähr als Strahl aufgefasst, der sich geradlinig ausbreitet. Die Welleneigenschaft von Licht kann nur beobachtet werden, wenn es mit Objekten wechselwirkt, deren Größe mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist. Für die Objekte unseres täglichen Lebens wird die Wechselwirkung mit Licht als geradlinig verlaufende Strahlen aufgefasst. Bei kleineren Objekten wird das Licht aufgrund der Beugung um Ecken gebogen.

Wie hängen Interferenzen mit Wasserwellen zusammen?

kann Licht um Ecken biegen
Wasserwellen.
 Bildquelle: (kann Licht um Ecken biegen)VerbfängerWellenbeugung an der Blauen Lagune, AbereiddyCC BY-SA 4.0

Der Interferenz von Licht Wellen verursachen die optischen Effekte, die aus der Lichtbeugung resultieren. Wir können diese Tatsache veranschaulichen, indem wir uns die Lichtwellen als Wasserwellen vorstellen. Angenommen, Sie halten ein Holzbrett zum Schwimmen auf einer Wasseroberfläche, werden Sie feststellen, dass die Wasserwellen das Holzbrett entsprechend den einfallenden Wasserwellen auf und ab hüpfen lassen. Diese Wasserwellen breiten sich weiter in alle Richtungen aus und stören die benachbarten Wasserwellen.

Wenn die Wellenberge zweier Wasserwellen zusammenfließen, kommt es zur Bildung einer verstärkten Welle, dh es findet eine konstruktive Interferenz statt. Wenn jedoch das Tal einer Welle mit dem Scheitel einer anderen Welle interferiert, heben sie sich gegenseitig auf, was zu einer Nullamplitude führt, die keine vertikale Verschiebung hat, dh destruktive Interferenz. Wenn sich die Täler zweier getrennter Wellen überlagern, bilden sie ein tieferes Tal.

Das gleiche Muster ist bei Lichtwellen zu beobachten. Wenn das Licht der Sonne auf in der Atmosphäre schwebende Wassertröpfchen trifft, interagieren die Lichtwellen auf ähnliche Weise miteinander, wie oben im Fall von Wasserwellen beschrieben. Im Falle von Lichtwellen konstruktive Beeinflussung tritt auf, wenn die Spitzenamplitude zweier Lichtwellen zusammenwirkt, um eine stärkere Welle zu erzeugen.

Mit anderen Worten, Wenn zwei Lichtwellenberge interagieren oder interferieren, bilden sie ein helleres Muster. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn das Tal einer Lichtwelle mit dem Kamm einer anderen Welle interferiert. Diese destruktive Interferenz wird durch die Bildung eines dunkleren Musters beobachtet. 

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Beugung von Licht, die die Anzeige von Farben in einem Spinnennetz verursacht. (kann sich leicht um Ecken biegen)
Bildquelle: Brocken InaglorieBeugungsmuster im SpinnennetzCC BY-SA 3.0

Wie kann sich Licht in einer Glasfaser um Ecken biegen?

Lichtstrahlen werden nach dem Eintritt in das Glasfasermaterial gebrochen.

Die Lichtwellen breiten sich durch den Kern der optischen Faser aus, indem sie von der Grenze oder der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Mantel hin und her gebrochen werden. Licht breitet sich durch die optische Faser aus, ohne die Faser durch ein Phänomen der totalen inneren Brechung zu passieren oder zu übertragen. 

Totalreflexion kann nur dann stattfinden, wenn der Winkel des einfallenden Lichts an der Grenze der Lichtleitfaser größer als der Grenzwinkel der Faser ist. Wenn der Winkel größer als der kritische Winkel ist, wird das Licht in die optische Faser gebrochen, anstatt durch den Mantel auszutreten.

Was ist die Bedingung der maximalen Lichtabweichung im Prisma?

Die maximale Lichtablenkung in einem Prisma kann aufgrund der folgenden zwei Bedingungen möglich sein:

1. Die maximale Lichtablenkung kann nur erfolgen, wenn der auf das Prisma einfallende Winkel rechtwinklig ist, dh 90 Grad. Diese Eigenschaft wird auch als streifender Einfall bezeichnet, da die Lichtstrahlen fast entlang der Oberfläche des Prismas „streifen“.

2. Die zweite Bedingung für die maximale Lichtablenkung in einem Prisma ist, dass wenn ein austretender Strahl um 90 Grad reflektiert wird oder wir können sagen, dass er entlang der Oberfläche des Prismas streift. Diese Bedingung ist der oben erwähnten Bedingung für die zweite Oberfläche ähnlich.

Hinweis: Wir sollten den maximalen Abweichungswinkel nicht mit dem minimalen Abweichungswinkel eines Prismas verwechseln.

Was ist der Unterschied zwischen Streuung und Beugung?

Lichtstreuung: Lichtstreuung tritt auf, wenn Licht auf kleine Objekte wie Staubpartikel oder gasförmige Wasserdampfmoleküle trifft, es neigt dazu, von seiner geraden Ausbreitungsbahn abzuweichen. Dieses Phänomen wird als Lichtstreuung bezeichnet. Lichtstreuung kann bei mehreren Umweltphänomenen bemerkt oder beobachtet werden. Die blaue Farbe des Himmels, die weiße Farbe der Wolken, die rote Farbe des Himmels bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang, der Tyndall-Effekt usw. sind einige Beispiele für Lichtstreuung.

Ampeln oder Gefahrensignale sind normalerweise rot, weil Rot von allen Wellenlängen am wenigsten streut. Das Ausmaß der Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge des Lichts. Das Phänomen der Streuung kann sowohl als Wellen- als auch als Teilchenwechselwirkung beobachtet werden. Die Eigenschaft der Streuung ist mit Wellenwechselwirkungen verbunden.

Lichtbeugung: Lichtbeugung bezieht sich auf das Phänomen, durch das Lichtstrahlen dazu neigen, sich um die Ecken eines Objekts zu biegen, das eine Größe hat, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist. Beugung wird nur beobachtet, wenn Licht nur als Welle behandelt wird. Die Eigenschaft der Beugung ist mit der Wellenausbreitung verbunden. Das Musterinterferenzmuster, das während des Einzelspaltexperiments beobachtet wurde, Gitter, Hologramme, Ausscheidungen treten aufgrund von Beugung auf.

Kann ein einfallender Strahl einen Winkel von mehr als 90 Grad haben?

Der Einfallswinkel auf eine Oberfläche ist definiert als der Winkel, den der Lichtstrahl von der Normalen zu dem Punkt eingeht, den er berührt. Daher beträgt der maximale Winkel, der mit der Normalen zur Oberfläche hergestellt werden kann, auf beiden Seiten 90 Grad.

Wir hoffen, dass dieser Beitrag Ihre Fragen beantwortet hat das Phänomen wiedererlangen der Beugung.