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Beugung

Physik

Definition


Beugung ist das Eindringen einer Welle in einen Bereich, der eigentlich bei geradliniger Verbindung von einem Hindernis abgeschirmt wird[1]: Beugung, auch Diffraktion[5] nennt man auch die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis. Der Effekt tritt sowohl bei Wasserwellen wie auch Licht und unsichtbaren elektromagnetischen Wellen auf.

Zur Definition der Beugung


Die Beugung wurde schon im 17ten Jahrhundert am Beispiel von Licht und Wasser[17] beschrieben. Der Kern des Effektes war es, dass Licht oder Wasserwellen in Bereiche eindrang, wo eigentlich ein dunkler Schatten sein müsste[2]. Und es muss ausgeschlossen werden, dass der Grund dafür eine Änderung des optischen Mediums oder Wassertiefe war. Denn wenn das die Ursache ist, spricht man nicht von Beugung sondern Brechung[18]. Nun treten mit der Beugung von Wasser- und Lichtwellen oft auch auffällige Muster von ruhigen und stark bewegten oder hellen und dunklen Bereichen auf. Das sind die sogenannter Beugungsmuster oder Interferenzen[4]. Oft wird die Interferenz fast synonym mit dem Wort Beugung verwendet. Während aber Beugung so gut wie immer eine Interferenz erzeugt (bei geeigneten Bedingungen) gilt der Umkehrschluss nicht. Es gibt durchaus Interferenz, ohne Beugung[19]. Wesentlich für die Beugung ist eine Änderung der Ausbreitungsrichtung am Rand eines Hindernisses.

Beugung als Umlenkung von Wasserwellen


Wellen im Wasser können an Rändern von Hindernissen oder auch an Öffnungen von Hindernissen ihre Richtung ändern[17]. Das passt zur grundlegenden Idee der Beugung, dass nämlich eine Welle a) in einen Bereich eindringt, in den sie bei nur geradliniger Ausbreigung nicht gelangen dürfte und b) der Grund dafür nicht eine Änderung der Wassertiefe ist[9]. Mit etwas Geduld kann man die Effekte an vielen Stellen der Küste beobachten:


Beugung als Umlenkung von Lichtstrahlen


Stellt man sich Licht als geraden Strahlen vor, kann man Körper so vor eine kleine Lichtquelle, etwa eine Kerze platzieren, dass dahinter ein theoretisch ganz dunkler Bereich, der Schatten, ensteht. Nun hat man bereits im 17ten Jahrhundert (zur Zeit des Dreißigjährigen Krieges) beobachtet, dass sich Lichtstrahlen auch in Bereiche hinein bewegen, in die sie bei strikt gerader Ausbreitung nicht gelangen dürften. Der Italiener Grimaldi (1618 bis 1663) nannte das Diffraktion[11], Newton sprach von Inflexion und stellte sich vor, dass die Lichtstrahlen (rays of light) an sich gerade verlaufen, aber durch anziehende Kräfte an Kanten von festen Körper abgelenkt werden[6], wodurch die Strahlenoptik nicht mehr gilt[14]. Eine solche Bewegung des Licht um Ecken in einen Schatten hinein ist auch für den Physiker Richard Feynman (1918 bis 1988) das Wesentliche der Beugung[15]. Siehe auch Beugungsschatten ↗

Die Grenzen der Lichtbeugung im Strahlenmodell


Während die Ausbreitung von Licht in eigentlich abgeschattete Bereiche noch mit Strahlen gedacht werden konnte, die an Kanten umgebogen (gebeugt) werden, konnten aber die mit tatsächlich beobachteten Beugungseffekten immer einhergehenden hell-dunkel-Linien- und Farbenmuster, die sogenannte Interferenzen oder Farbsäume am Rand der Schatten, nicht mehr mit Strahlen erklärt werden. Sehr schnell wurde klar, dass sich die Beugung mit einhergehenden interferenzeffekten nur im Wellenmodell erklären lassen. Siehe dazu zum Beispiel Newtons Lichtbeugung ↗

Beugung als Welle im Schattenbereich


Nach dem 18ten Jahrhundert definierte man Beugung weitgehend nur noch im Zusammenhang mit Wellen als Modell einer Erklärung, so zum Beispiel in einem Lehrbuch der Physik aus dem Jahr 2022[8]: "Das Eindringen von Wellen in den geometrischen Schattenraum hinter Hindernissen oder Öffnungen wird als Beugung bezeichnet." Diese Definition bezieht den Effekt der Beugung ganz auf Wellen. Mit dem geometrischen Schattenraum ist der Bereich gemeint, in den das Licht bei einer rein strahlenartigen Ausbreitung im Sinne gerader Linien nicht eindringen könnte.

Beugung von Wellen hinter Öffnungen


Eine typische Weise zur Erzeugung von Beugungseffekten sind kleine Öffnungen in Hindernissen im Weg des Lichts: "Trifft eine Welle auf ein Hindernis, in dem sich eine Öffnung befindet, deren Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, so breitet sich der Teil der Welle, der durch die Öffnung gelangt, dahinter im Raum aus - er wird gebeugt. Diese Ausbreitung lässt sich durch eine Konstruktion von Elementarwellen im huygensschen Sinne erklären. Nicht nur Lichtwellen, sondern Wellen aller Arten werden gebeugt.[10]" Auch bei dieser Definition wird die Beugung wie zuvor eng mit Wellen in Verbindung gesehen. Dass dabei die Wellen durch Öffnungen gehen ist typisch für viele Beispiele[1], ist aber nicht zwingen nötig. Beugung kann auch durch Körper erzeugt werden, die einen Schatten werfen[2]. Siehe auch huygenssches Prinzip ↗

Beugung muss die Strahlenoptik umfassen


Die sogenannte Wellenoptik ist die Optik, die Licht konsequent als Wellenphänomen deutet. Unter bestimmten Bedingungen kann man aus dieser Wellenoptik auch die Aussagen der Strahlenoptik herleiten, aber nur dann, wenn typische Wellenphänomene wie Beugung und Intereferenz keine Rolle spielen: "Das Korrespondenzprinzip verlangt nun, daß die umfassendere Theorie in dem entsprechenden Grenzfalle in die eingeschränkte Theorie übergehen muss. Daher muß die Wellenoptik unter Bedingungen, unter denen die entscheidenenden Wellenerscheinungen wie Beugung und Interferenz bedeutungslos sind, die Strahlenoptik liefern. Wie wir wissen können Interferenz und Beugung nur dann beobachtet werden, wenn die Abmessungen der Hindernisse oder der Öffnungen, die vom Licht getroffen werden, mit der Wellenlänge l des Lichtes vergleichbar sind. Ist aber l << d, so liefert die Wellendarstellung die gleichen Ergebnisse wie die Strahlendarstellung.[9]" Siehe auch Korrespondenzprinzip ↗

Was ist der Unterschied zwischen Beugung und Streuung?



Was ist der Unterschied zwischen Beugung und Interferenz?


In der Physik werden die Worte Beugung (Diffraktion) und Interferenz oft getrennt behandelt. Von Beugung spricht man, wenn Licht seine Richtung in Nähe von Materie ändert und von der geradlinigen Fortpflanzung der Strahlenoptik abweicht. Von Interferenz hingegen aist zum Beispiel beim Doppelspaltexperiment die Rede. Tatsächlich beruhen beide Phänomene aber auf demselben Prinzip.[4] Der Unterschied ist fließend. Bei wenigen (kohärenten) Quellen einer Erregung (etwa zwei Spalten beim Doppelspaltexperiment) spricht man eher von Interferenz[5], der Gesamteffekt von sehr vielen Erregungsquellen hingegen wird oft als Beugung beschrieben.[6] Siehe auch Interferenz ↗

Welche Objekte können gebeugt werden?


Während man früher davon ausging, dass nur klassische Wellen, etwa Wasserwellen, Schallwellen, Erdbebenwellen oder Licht als Welle gedacht der Beugung unterliegen, stellte man später fest, dass auch teilchenartige Gebilde gebeugt werden können.


Beugung als Indiz für die Wellenoptik



Wer gilt als Urheber der Wellenidee?



Wie sagte Isaac Newton dazu?



Fußnoten