Warum beobachten wir Streifenmuster bei der Einzelspaltbeugung?

Ich verstehe, dass Beugung das Biegen von Licht um scharfe Kanten ist. Unter Verwendung der Theorie von Huygens erklärt man dies, indem man sich eine ebene Welle vorstellt, die auf einen Spalt trifft. Normalerweise würde jeder Punkt auf der ebenen Welle als sphärische Wellenfront wirken, und die gemeinsame Hüllkurve all dieser Wellenfronten wäre ebenfalls eine ebene Welle. Wenn ein Teil dieser Welle durch ein Hindernis blockiert wird, würde sich der „oberste oder unterste“ Teil der neuen Welle kugelförmig ausbreiten, da es nichts mehr darüber oder darunter gibt, um die Wellenfront abzuflachen. Daher sieht unsere Wellenfront jetzt eher so aus:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich weiß, dass dies auch mit der Unschärferelation erklärt werden kann, aber mein Ziel ist es, die Theorie von Huygens richtig zu verstehen.

Jedenfalls breitet sich die Wellenfront, wie wir sehen können, in den geometrischen Schatten aus. Nun, das ist alles schön und gut, aber ich scheine nicht zu verstehen, woher die "Fransen" kommen. Huygens Theorie scheint zu erklären, warum sich Licht um Hindernisse herum krümmt, aber nicht, warum wir im Falle eines einzelnen Schlitzes ein Streifenmuster erhalten sollten.

Viele Bücher legen nahe, dass dies daran liegt, dass die sekundären Quellen auf dieser neuen „halbkreisförmigen“ Wellenfront sphärische Wellen erzeugen, die miteinander interferieren, um Punkte konstruktiver und destruktiver Interferenz zu erzeugen. Diese Selbstinteraktion erscheint mir nicht sinnvoll.

Im Fall des einfachen Doppelspaltexperiments scheint die Idee von zwei getrennten Wellenfronten, die sich gegenseitig interferieren, um helle und dunkle Bänder zu erzeugen, sinnvoll.

Aber stellen Sie sich jetzt eine einzelne Quelle vor, von der sich die Wellenfront in alle Richtungen ausbreitet, dh eine Quelle mit einer kugelförmigen Wellenfront. Nehmen wir nun an, vor der Quelle befindet sich ein Bildschirm. Auf dem Schirm würde sich eine gleichmäßige Intensitätsverteilung ergeben. Wenn ich nun jedoch einen einzelnen Spalt zwischen Quelle und Schirm einbaue, würde das Intensitätsmuster Streifen zeigen. Der Fall mit dem Schlitz wird erklärt, indem gesagt wird, dass jeder Punkt, nachdem die Welle aus dem Schlitz ausgetreten ist, als sekundäre Quelle fungiert und die Wellenformen von diesen Quellen konstruktiv und destruktiv interferieren. Wenn es jedoch keinen Spalt gäbe, würde selbst dann jeder Punkt auf der sphärischen Wellenfront als sekundäre Quelle wirken. Wir berücksichtigen jedoch nicht die Interferenz der Wellen dieser sekundären Quellen in Abwesenheit eines Schlitzes. Anders,

In jedem Szenario fungiert jeder Punkt auf einer Wellenfront als sekundäre Quelle. Nachdem sie jedoch ein Hindernis passiert haben, interferieren diese sekundären Quellen miteinander, um helle und dunkle Muster zu erzeugen. Aber mit dieser Logik, wenn wir nur die einfache Ausbreitung von Licht von einer Punktquelle betrachten, dann sollte jeder Punkt auf dieser sphärischen Wellenfront auch als sekundäre Quellen wirken, die sich gegenseitig stören sollten. Dies würde jedoch unabhängig vom Vorhandensein eines Hindernisses auf jedem Bildschirm ein Beugungsmuster verursachen.

Kann mir jemand helfen, dies zu verstehen.

(Ich weiß, wie die Streifen erscheinen, indem ich eine Integration über eine Welle verwende und dann Bedingungen für Maxima und Minima finde. Ich möchte dies nur verstehen, indem ich das Huygens-Prinzip anwende). Wenn Licht mit sich selbst interferiert, sollten wir dann nicht überall dunkle und helle Bänder sehen? Warum brauchen wir einen Schlitz?

Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Frage verstehe. Ich weiß nicht, was davon hilfreich ist: 1) Die hellen und dunklen Merkmale in Ihrem Foto sind keine Ränder. Sie repräsentieren die (quadratische) Amplitude der Störung. Der Ort der Punkte konstanter Intensität sind Phasenfronten , der Ort der konstanten Phase. 2) Die an jedem Punkt einer Kugelwelle erzeugten Huygens-Wavelets interferieren . Das Ergebnis der Überlagerung ist ein einheitliches (randloses) Muster auf einem Bildschirm.
@garyp Ich habe das Foto als Referenz verwendet, um die Biegung um die Kanten zu zeigen. Ich spreche von den Streifen, die sich auf einem Bildschirm gebildet hätten, wenn ich einen davor gehalten hätte.
Das Prinzip von @garyp huygen erklärt gut, warum sich die Wellenfront an den Rändern krümmt. Allerdings verwirren mich die verschiedenen sekundären Wavelets, die sich gegenseitig stören, um helle und dunkle Bänder zu bilden. Wie bei einer einfachen Welle im Vakuum würden auch die sekundären Wavelets stören, aber wenn Sie Licht auf einen Bildschirm strahlen, sehen Sie keine Streifen.
Erwarten Sie, dass eine ebene Welle ein Streifenmuster erzeugt?
@garyp natürlich nicht, genau deshalb entsteht die Verwirrung. In vielen Büchern wird das Streifenmuster bei der Einzelspaltbeugung erklärt, indem gesagt wird, dass die sekundären Wavelets auf der halbkreisförmigen Wellenfront konstruktiv/destruktiv interferieren, um ein Streifenmuster zu ergeben. Wenn wir jedoch eine Quelle haben, die Kugelwellen in alle Richtungen abstrahlt, stören auch dort die sekundären Wavelets, aber stattdessen erhalten wir eine konstante Intensitätsverteilung.
@garyp ah also, du sagst, dass in beiden Fällen die sekundären Wavelets stören. Im Fall der einfachen oder sphärischen Welle erzeugt dies zufällig ein streifenloses Muster, und im Fall der Einzel-/Doppelschlitze usw. erzeugt dies Streifen. Ist es das ?
Ich verstehe. Die Auflösung liegt grob gesagt in der Symmetrie. Im Fall einer ebenen oder sphärischen Welle ist genügend Symmetrie vorhanden, so dass das Interferenzmuster streifenfrei ist.
Ja das ist es.
Wir posten zur gleichen Zeit, daher könnten die Leser verwirrt sein! :-)
@garyp dachte ich auch. Weil ich versucht habe, das Integral des elektrischen Feldes auf dem Bildschirm zu lösen. Ich habe die ebene Welle einfach als einen unendlich breiten Schlitz behandelt und die resultierende Intensität als konstant. Für einen normalen Schlitz endlicher Länge erhielt ich ( Sünde X ) / X als resultierendes Feld, das Streifen zeigt.
@garyp Wenn Sie Zeit haben, posten Sie diese Diskussion als Antwort und ich akzeptiere sie als richtig.
Eine ebene Wasserwelle durch einen einzelnen Schlitz erzeugt KEIN "Interferenz"-Muster. Es entsteht nur eine kreisförmige Welle. Licht oder eine EM-Welle ist ganz anders als Wasser, Licht erzeugt ein Muster. Das Wort "Interferenz" ist bei Photonen etwas irreführend, in den dunklen Bereichen des Musters ist keine Energie vorhanden, also keine Photonen. Weitere Details unten.

Antworten (4)

Das Prinzip von Huygens erklärt keine Interferenz. Es gilt für inkohärente Wellen. Sie benötigen die Wellentheorie, um Interferenzen zu beschreiben, die aus Wellenkohärenz resultieren.

"Sonst würden wir ein helles und dunkles Bandmuster erhalten, indem wir einfach Licht auf ein Objekt strahlen lassen." Diese Bänder existieren, aber sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit oder wechseln sich mit der Frequenz des Lichts ab. Sie bilden kein stationäres Interferenzmuster.

Wir brauchen eine Störung wie einen Schlitz, um ein stationäres Muster zu erhalten.

Kannst du das etwas näher erläutern. Ich habe das elektrische Feldintegral für Einzel- und Doppelspalt durchgeführt und das Interferenzstreifenmuster für beide Fälle gefunden. Ich verstehe jedoch diese Idee des "stationären Interferenzmusters" nicht. Ich dachte, alle Interferenzmuster müssen stationär sein. Können Sie erläutern, wie ebene Wellen ein oszillierendes Interferenzmuster erzeugen und wie eine Störung wie ein Schlitz dieses stationär macht?

Als ich mir dies kürzlich ansah, fand ich es ziemlich lehrreich, eine numerische Simulation des beleuchteten Schlitzes als eine große Anzahl von 2D-„Punktquellen“, die in einer Linie angeordnet waren, durchzuführen. Ihr Modell muss eigentlich nicht sehr viele dieser Quellen enthalten, bevor Sie beginnen können, die „Ränder“ in Form von Bereichen konstruktiver und destruktiver Interferenz zu sehen, die sich radial von den Rändern des Schlitzes ausbreiten.

Ein besserer Ansatz ist die integrale Simulation des Feynman-Pfades, Beispiele auf dieser Seite.

Interferenz für Licht ist eine irreführende Idee, aber sie wird gelehrt, weil sie auf Anfängerniveau einen Wert bietet. Beim Doppelspalt oder Einzelspalt für Licht haben die hellen Bereiche die gesamte Energie (Photonen) die dunklen Bereiche keine (keine Photonen). In der höheren (Meister-)Physik ist das Feynman-Pfadintegral die akzeptierte Erklärung für die "Interferenz". Das Integral betrachtet alle Pfade und summiert die Amplitude, zum Beispiel würde eine Computersimulation die Pfadlänge für viele Pfade von der Quelle durch verschiedene Pfade in den Schlitzen zu allen möglichen Bildschirmpunkten berechnen. Indem die Phase verfolgt wird, werden die Amplituden summiert, was dazu führt, dass Pfade, die ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge sind (dh solche, die resonant sind), zu bevorzugten Pfaden werden, und in einigen Pfaden summiert sich die Amplitude zu Null!

Es gibt einige gute Beispiele auf dieser Seite, suchen Sie nach "Feynman path integral".

Ist das nicht genau das, was Interferenz ist?
@my2cts Das Pfadintegral überlagert/interferiert viele Pfade und findet mathematisch die bevorzugten/höchsten Wahrscheinlichkeiten. Es könnte bedeuten, dass viele virtuelle Photonen emittiert und interferiert werden (also keine Energieübertragung nur Kräfte). Aber 2 echte Photonen stören sich nie .... und das ist leider das, was die meisten Menschen verstehen.
@PhysicsDave ah, im Falle einer ebenen Welle, wie wenn nur Licht auf ein Objekt scheint, sind alle Pfade gleich wahrscheinlich, da es kein Hindernis oder ähnliches gibt, und so erhalten wir in einiger Entfernung eine konstante Intensität, und diese Intensität nimmt ab über Distanz. Im Falle eines Spaltes sind nicht mehr alle Pfade gleich wahrscheinlich, und so bekommen wir Interferenzstreifen, ist das ungefähr richtig ?
@RayPalmer Du sagst, du hast das elektrische Feldintegral gemacht? Erzählen Sie mir mehr ... Ja, Sie bekommen die Drift, aber ... 1) Die Schlitzexperimente sind geometrisch ziemlich eng ... die Schlitze sind sehr eng und die Quelle klein, viele Photonen werden den Schlitz tatsächlich zurückweisen (wie ein Spiegel) . 2) Das Ausführen des Feynman-Weg-Integrals fügt wirklich viele Phasen eines virtuellen Felds hinzu, es wird keine Energie übertragen, nur die Kräfte des angeregten Elektrons im EM-Feld, schließlich wird ein Photon emittiert, das stark dazu neigt, ganze ganzzahlige Beträge seiner Wellenlänge zu durchlaufen , ich sage gerne, die Pfade sind resonant!
@RayPalmer Die eigentliche Erklärung ist also kompliziert ... virtuelle Kräfte ... virtuelle Photonen ... Feynman-Pfadintegral. Kein Highschool-Lehrer, der bei klarem Verstand ist, würde es unterrichten! Es ist viel einfacher, einfach "Interferenz" zu sagen.

In jedem Szenario fungiert jeder Punkt auf einer Wellenfront als sekundäre Quelle.

Ich glaube, das verwirrt dich. Sobald die Wellenfront gebildet ist, gibt es keinen Grund, warum sie mit sich selbst interagieren sollte, da sich alles mit der gleichen "Geschwindigkeit", Phase bewegt (das ist, was eine Wellenfront ist). Sobald Sie ein Hindernis einfügen, verformen Sie diese Wellenfront und erzeugen neue - sie werden interferieren und das Interferenzmuster erzeugen.

Außerdem erzeugt eine ebene Welle auch ein Interferenzmuster ... (stellen Sie sich einfach vor, dass die ebene Wellenfront durch den "Rand" -Teil einer unendlichen Anzahl von Kugelwellen gebildet wird).

Eine Wasserwelle, die durch einen einzelnen Schlitz geht, erzeugt KEIN Interferenzmuster. Während Wasser und Licht einige Wellenähnlichkeiten teilen, verhalten sie sich auch in anderen Bereichen sehr unterschiedlich.
Ich verstehe Ihren Standpunkt nicht, ich habe nicht über Wasser gesprochen und ich sehe in der Frage keinen Hinweis darauf - von dem ich annehme, dass es um die Lichtausbreitung geht.
Das Huygens-Prinzip wurde historisch verwendet, um Lichtinterferenz wegen seiner Einfachheit und praktischen Anwendbarkeit im Unterricht zu erklären, aber ein Photon kann sich nicht teilen und neue Kopien von sich selbst erzeugen, diese Spaltungsanalogie ist besser für Materiewellen. Das Feynman-Pfadintegral erklärt Lichtmuster durch Schlitze.
Ich verstehe Ihren Standpunkt bezüglich der Antwort / des Kommentars immer noch nicht. Bitte beziehen Sie sich beim Antworten auf das, was ich geantwortet oder kommentiert habe. Ich habe nie über das „Teilen“ von Photonen gesprochen, ich habe über Wellenfronten gesprochen.
Eine ebene Lichtwelle ist nicht erforderlich, um Interferenzen zu verursachen, der Begriff Lichtwellenfront impliziert NICHT, dass sich alles in Phase bewegt, meistens ist dies nicht der Fall. Sie berufen sich auf das Huygens-Prinzip, wenn Sie sagen, "neue erzeugen", aber Sie sehen nicht, dass eine Wasserwelle, die durch einen einzelnen Schlitz geht, KEINE Interferenz erzeugt ... und daher ist das Huygens-Prinzip nicht auf Licht anwendbar.
1) Ich habe nie gesagt, dass eine ebene Welle erforderlich ist, um Interferenzen zu erzeugen (wo haben Sie das überhaupt gelesen?!?). 2) Wellenfront des Lichts IST die Menge von Punkten, an denen die Welle die gleiche Phase hat - bitte senden Sie Ihre Informationsquellen. 3) Warum vergleichst du immer noch Wasser und Licht? Um Sie zu zitieren ... "Siehst du den Unterschied zwischen ihnen nicht?" Die Frage dreht sich um LICHT, und ich habe immer von LICHT gesprochen. Wasser nie erwähnt...
Ihre Antwort "Auch eine ebene Welle erzeugt ein Interferenzmuster ..."
Das ist anders als zu sagen „ist erforderlich“. Und offensichtlich wird es als Lichtwelle bezeichnet.
Du sprichst von Wasser und hast es nur noch nicht realisiert.... Interferenzmuster im Licht haben nichts mit ebenen Wellen zu tun. Wie RayPalmer (und my2cts) betont, sowie 100 andere ähnliche Fragen auf dieser Seite, erklärt Huygens Interferenzen nicht.
Oh bitte, ich weiß, wovon ich spreche ... Sie können sich das hier ansehen: osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-57-18-D56 - Es sollte auf arxiv verfügbar sein.