Aufgabe 3.2 – Licht

Thomas Young veröffentlichte 1804 im Journal „The philosophical transactions of the Royal Society of London“ ein Experiment, mit dem er die Wellennatur des Lichts zeigen wollte.

In Material 1 wird das von Thomas Young durchgeführte Experiment dargestellt. Erkläre die in Material 1 genannten Beobachtungen mithilfe eines Modells.

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Fachpraktischer Teil

Das Experiment von Thomas Young gilt als Vorläufer späterer Doppelspaltexperimente.

Erzeuge unter Verwendung von Material 2 ein Interferenzbild mit dem Doppelspalt auf dem Schirm.

Dokumentiere dein Vorgehen, indem du eine beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus mit seinen genauen Maßen anfertigst.

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Tausche den Doppelspalt gegen das zur Verfügung gestellte Gitter aus, dessen prinzipieller Aufbau im Material 3 beschrieben ist.

Fertige eine Skizze des Interferenzbildes in geeignetem Maßstab an. Beschreibe die zu beobachtenden Unterschiede im Vergleich zum Doppelspalt.

6 BE

Bestimme mithilfe des Gitters die Wellenlänge des Lasers. Dokumentiere hierbei deine Vorgehensweise.

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Hinweise:

Sollte dir der Aufbau des Versuchs oder die Durchführung in 2c nicht gelingen, so kannst du bei der Aufsicht führendenden Fachlehrkraft Material anfordern. Den nicht erbrachten Leistungen entsprechend werden 5 Bewertungseinheiten nicht erteilt.

Beschreibe einen Unterschied zwischen dem Aufbau des Experimentes von Young und dem in Aufgabe 2 durchgeführten Interferenzexperiment am Doppelspalt und welche Auswirkung dieser Unterschied auf das jeweils zu beobachtende Interferenzbild hat.

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Erkläre die Bedeutung des Experimentes von Young für die physikalische Beschreibung von Licht, indem du auf die Grenzen des Lichtstrahlmodells eingehst.

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Material 1: Experiment von Young

Youngs Idee war ein Experiment, „das, wenn die Sonne scheint, mit Leichtigkeit und ohne jede Vorrichtung, die nicht jedermann zur Verfügung steht, wiederholt werden kann“. Es ist ein gutes Beispiel dafür, wie mit einfachen Mitteln große wissenschaftliche Fortschritte erzielt werden können. Young schreibt: „Ich machte ein kleines Loch in einen Fensterladen und bedeckte es mit einem dicken Stück Papier, das ich mit einer feinen Nadel durchstach.“ Dann hielt er eine Spielkarte in den Sonnenstrahl und teilte so das Lichtbündel in zwei Teile. Auf der gegenüberliegenden Wand sah er Interferenzstreifen, die verschwanden, wenn er das Licht auf einer der beiden Seiten der Spielkarte verdeckte.

Schematische Darstellung: Rolle, Papier mit Loch, dünne Spielkarte und zwei Teilbündel mit Pfeilen

Abb. 1: Prinzip des Aufbaus von Young

Material 2: Hinweise zur Durchführung des Versuchs in Aufgabe 2

Geräte:

Laser (rot, Wellenlänge $Formula: \lambda$ $Formula: \lambda$ unbekannt)
Doppelspalt
optisches Gitter
Schirm
Lineal / Maßstab
optische Bank
Halter, Befestigungsmaterial

Beachte die Sicherheitshinweise im Umgang mit Lasern.

Material 3: Optisches Gitter

Optische Bauteile, bei denen viele lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche in Form von Strichen nebeneinander angeordnet sind, heißen optische Gitter. Vereinfacht gesagt sind es viele Doppelspalte nebeneinander.

Wenn ein Gitter 500 Striche (also 500 lichtdurchlässige Bereiche) pro $Formula: \text{mm}$ $Formula: \text{mm}$ besitzt, hat es einen Spaltmittenabstand (auch Gitterkonstante genannt) von

$Formula: g = \dfrac{1}{500}\;\text{mm} = 2,00 · 10^{-6}\;\text{m}.$ $Formula: g = \dfrac{1}{500}\;\text{mm} = 2,00 · 10^{-6}\;\text{m}.$

Kleines "g" links, geschweifte Klammer in der Mitte, mehrere vertikale dunkle Rechtecke in einer Spalte rechts

Abb. 2: Gitter

$Formula: \tan \alpha_k=\dfrac{a_k}{\ell}$ $Formula: \tan \alpha_k=\dfrac{a_k}{\ell}$

$Formula: \sin \alpha_k=\dfrac{k\cdot\lambda}{g}$ $Formula: \sin \alpha_k=\dfrac{k\cdot\lambda}{g}$

	Abstand zwischen dem Maximum nullter und dem Maximum -ter Ordnung auf dem Beobachtungsschirm
$Formula: \ell$ $Formula: \ell$	Abstand Gitter – Schirm
	Ordnung
$Formula: \lambda$ $Formula: \lambda$	Wellenlänge
	Gitterkonstante (Spaltmittenabstand)
$Formula: \alpha_k$ $Formula: \alpha_k$	Winkel, unter dem das Maximum -ter Ordnung erscheint

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Mögliche Lösung (mit dem Wellenmodell):

Die Spielkarte erzeugt zwei getrennte Wellenzentren. Die davon ausgehenden Elementarwellen interferieren auf dem Weg bis zur gegenüberliegenden Wand und legen bis zum Beobachtungspunkt unterschiedliche Wege zurück. Je nach Wegunterschied ergibt sich konstruktive (bei ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge) oder destruktive Interferenz (bei ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge). Folglich sind auf dem Schirm abwechselnd helle und dunkle Bereiche (Interferenzstreifen) zu erkennen. Wird ein Teilstrahl abgedeckt, gibt es keine Interferenz der von den beiden Wellenzentren ausgehenden Elementarwellen mehr und die Interferenzstreifen verschwinden.

Der Laser, Doppelspalt und Schirm werden in geeigneten Abständen aufgebaut.

Die Skizze des Versuchsaufbaus sieht dann z.B. wie folgt aus:

Laser, Doppelspalt und Schirm in gewissem Abstand zueinander

Hinweis: Die dem realen Versuchsaufbau entsprechenden Maße müssen hier zusätzlich angegeben werden.

Es wird eine Skizze des Schirmbildes in geeignetem Maßstab erstellt.

Für die beobachteten Unterschiede gilt, dass beim Gitter die Maxima im Gegensatz zum Doppelspalt deutlich weiter auseinander liegen, sowie heller und schärfer sind.

Messung des Abstandes Gitter – Schirm
Bestimmung des Abstandes (z.B. durch Messen des Abstandes zwischen den beiden Maxima Ordnung)
Berechnung der Wellenlänge durch Zusammenführung der gegebenen Formeln zu $Formula: k \cdot \lambda=g \cdot \sin \left(\arctan \left(\frac{a_k}{\ell}\right)\right)$ $Formula: k \cdot \lambda=g \cdot \sin \left(\arctan \left(\frac{a_k}{\ell}\right)\right)$
Lösung für $Formula: g=2,00 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{m},$ $Formula: g=2,00 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{m},$ $Formula: \ell=48,0\;\mathrm{cm},$ $Formula: \ell=48,0\;\mathrm{cm},$ $Formula: a_1=16,5\;\mathrm{cm}:$ $Formula: a_1=16,5\;\mathrm{cm}:$

$Formula: \lambda=\dfrac{2,00 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{m} \cdot \sin \left(\operatorname{arc} \tan \left(\tfrac{16,5\;\mathrm{cm}}{48,0\;\mathrm{cm}}\right)\right)}{1}$ $Formula: \lambda=\dfrac{2,00 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{m} \cdot \sin \left(\operatorname{arc} \tan \left(\tfrac{16,5\;\mathrm{cm}}{48,0\;\mathrm{cm}}\right)\right)}{1}$ $Formula: =650\;\mathrm{nm}$ $Formula: =650\;\mathrm{nm}$

Young benutzte einen Strahl des Sonnenlichts, im Experiment wurde ein Laser verwendet. Young müsste somit farbige Streifen anstelle der roten Flecke im Experiment gesehen haben.

Ein weiterer möglicher Unterschied ist:

Anstelle des Doppelspaltes verwendete Young eine in den Strahl gehaltene Spielkarte. Die Abstände der Interferenzstreifen könnten sich dadurch ändern.

Licht aus zwei Öffnungen, das sich ausbreitet und auf einen Schirm fällt, lässt nach dem Lichtstrahlmodell zwei Lichtflecke auf dem Schirm erwarten. Es gibt keine Interferenz zwischen den beiden Teilstrahlen. Das Experiment von Young zeigt dagegen viele helle und dunkle Stellen (Interferenz). Folglich ist eine Erklärung mit dem Lichtstrahlmodell nicht möglich, sondern das Wellenmodell erforderlich.

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