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5.3  Interferenzmuster an einem Doppelspalt

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(Siehe Hecht, Optik [Hec05, pp. 572]) (Siehe Pérez, Optik [Pér96, pp. 358]) (Siehe Tipler, Physik [TM04, pp. 1116])


pict Versuch zur Vorlesung:
Beugung am Doppelspalt (Versuchskarte O-123)


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pict

Strahlengang bei einem Doppelspalt

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Aus den Interferenzbedingungen wissen wir, dass wir


konstruktive Interferenz (helle Streifen) bei
d sin Θ =  m λ     m  = 0, ±1,±2, ...
(5.1)

destruktive Interferenz (dunkle Streifen) bei

         (       )
dsinΘ  =  m  + 1- λ      m  = 0,±1, ±2, ...
               2
(5.2)


haben. Wir berechnen nun den Verlauf der Intensität.

Am Punkt P ist die Phasendifferenz

     2π
δ =  --d sin Θ
     λ
(5.3)

Der m-te helle Streifen hat von der Achse den Abstand ym. Nach der Skizze ist der Winkel dann durch

         y
tan Θ =  -m-
          ℓ
(5.4)

gegeben. Wir verwenden, dass für kleine Winkel Θ gilt: tan Θ sin Θ Θ. Damit folgt

                     ym
d sin Θ ≈ d tan Θ = d -ℓ-≈  m λ
(5.5)

Der m-te helle Streifen liegt also bei

        λℓ
ym ≈ m  d--
(5.6)

Der Abstand zweier Streifen ist

      λℓ
Δy =  ---
      d
(5.7)

Wenn wir die Amplituden der Felder verwenden (die elektrischen Felder E), können wir sagen, dass die beiden Felder E1 = E0 sin(ωt) und E2 = E0 sin(ωt + δ) am Punkt P interferieren.

E  = E  + E  =  E  sin(ωt ) + E sin(ωt + δ)
       1    2    0            0
(5.8)

Mit sin α + sin β = 2 cos (    )
 α--β
   2 sin (    )
 α+β-
  2

bekommt man

            (  )    (       )
              δ-           δ-
E =  2E0 cos  2  sin  ωt + 2
(5.9)

Die Intensität ist dann

                 (  )                (  )
       ϵ0c  2   2  δ            2   2  δ
I = 4n -2-E0 cos   2- =  2nϵ0cE 0 cos  2-
(5.10)

wobei n der Brechungsindex des Mediums ist. Mit d sin Θ yd∕ℓ wird die Phase

    2π-          2πyd-
δ =  λ dsin Θ ≈  λ  ℓ
(5.11)

und

                   (    )
I(y) ≈ 2nϵ0cI0 cos2  πyd-
                     λ ℓ
(5.12)

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pict   pict   pict

Beugung an einem Doppelspalt. Links ist d = 3λ, in der Mitte d = 10λ und rechts d = 30λ (rechts ist der gezeigte Bildausschnitt grösser).

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Die Interferenz an einem Doppelspalt hängt von der Polarisationsrichtung ab.



pict Versuch zur Vorlesung:
Interferenz mit Polarisation (Versuchskarte AT-051)




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