Lichtbeugung

 
Eine faszinierende Form der Wechselwirkung von Licht mit Materie ist die Lichtbeugung. In der Atmosphäre sind z.B. „Korona“, „Bishopscher Ring“, „Irisieren“ und „Glorie“ ganz oder teilweise auf Lichtbeugung zurückzuführen.

Christiaan Huygens (1629-1695) beschrieb die Ausbreitung von Lichtwellen einst so: „Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Welle, einer so genannten „Elementarwelle“. Die Wellenfront zu einem späteren Zeitpunkt ergibt sich als Einhüllende aus der Überlagerung aller Elementarwellen, die von einer gegebenen Wellenfront ausgehen.“ Das bedeutet, dass in einem homogenen Medium die Lichtausbreitung von einer Lichtquelle in alle Richtungen gleichförmig erfolgt, da sich die permanent neu bildenden Elementarwellen ja in immer gleicher Weise überlagern. Wird hingegen die Welle in ihrer Ausbreitung behindert, z.B. durch eine undurchdringliche Wand mit einem sehr kleinen runden Loch, so erfolgt die Interferenz (Überlagerung) dahinter nur noch zwischen den wenigen Elementarwellen, die vom Licht, welches das kleine Loch durchquert hat, ausgehen. Die Überlagerung kann somit nicht mehr „vollständig“ erfolgen und es kommt im Wellenbild zu „Verstärkungen“ und „Auslöschungen“ in Form konzentrischer Ringe. Die Verstärkungen repräsentieren dabei Zonen, in denen die einander überlagernden Wellen „in Phase“ sind, wo also Wellenberge auf Wellenberge treffen, Auslöschungen zeigen sich hingegen dort, wo Wellenberge mit Wellentälern zusammenkommen. Die Umwandlung der ursprünglichen Wellenfront in gekrümmte konzentrische Ringe macht sich dabei als Richtungsänderung, also eine „Beugung“ des Lichts bemerkbar.  
Lichtbeugung an einem engen Spalt (Credit: Lookang mit Unterstützung von Fu-Kwun Hwang und Francisco Esquembre, Wikimedia Commons, creative commons 3.0, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Die Stärke der Lichtablenkung hängt von zwei Parametern ab, von der Größe des Lochs sowie von der Wellenlänge des Lichts. Je kleiner das Loch, desto stärker wird das Licht gebeugt. Und langwelliges Licht, rot und orange, erfährt eine größere Richtungsänderung als kurzwelliges Licht, blau und violett.

In der Atmosphäre sind Beugungserscheinungen meist nicht auf kleine runde Öffnungen zurückzuführen, sondern auf die Wechselwirkung von Licht mit sehr kleinen Wassertröpfchen in Wolken und Nebel, kleinen Staubpartikeln oder auch sehr kleinen Eisteilchen in Wolken. Dass dies zu einem ähnlichen Resultat führt wie der Durchgang von Licht durch ein sehr kleines rundes Loch, hat Jacques Babinet (1794-1872) bereits als „Babinetsches Prinzip“ beschrieben, welches aussagt, dass „zueinander komplementäre Blenden gleiche Beugungsbilder erzeugen“. Ein kleines rundes Loch verhält sich demnach gleich wie ein kleiner runder Kreis und Wolkentröpfchen können aus Sicht der Lichtwelle durchaus wie ein kleiner runder Kreis angesehen werden.

Andreas Pfoser, 26. Juli 2014

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