Wird Licht beim Prinzip Huygens gestreut?

Wissenschaft Physik
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Hallo,
ich habe hier eine Animation zum Thema „Prinzip von Huygens“, die Erklären soll, warum das Licht einen Knick macht, wenn es durch Medien unterschiedlicher Berchzahl geht.
Die Animation unter http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm.
Das hab ich soweit verstanden.
Es bildet sich eine neue Wellenfront aus, weil sich im neuen Medium alle von der ersten Wellenfront angeregten Wellen überlagern.
Nun sieht man da aber auch sehr schön, dass die einzelnen Wellenzentren nicht nur Licht in Richtung neuer Wellenfront aussenden, sondern auch nach hinten, unten, oben.
Folglich müsste man doch, wenn man also Licht von Luft durch einen Glasbaustein schickt, im ganzen Glas Licht finden. Also auch wenn man Licht von links oben nach rechts unten schickt, müsste man doch auch links unten und rechts oben gestreutes Licht finden, wenn ich die Animation richtig gedeutet habe.

Stimmt das also, dass man im ganzen Baustein Licht findet, auch wenn der Lichtstrahl, der auf den Glasbaustein trifft, im Vergleich zur Dicke des Bausteins, dünn ist?

Vielen Dank
Tim

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Hallo Tim,

Folglich müsste man doch, wenn man also Licht von Luft durch
einen Glasbaustein schickt, im ganzen Glas Licht finden. Also
auch wenn man Licht von links oben nach rechts unten schickt,
müsste man doch auch links unten und rechts oben gestreutes
Licht finden, wenn ich die Animation richtig gedeutet habe.

Was Du beschreibst, widerspricht ja der alltäglichen Erfahrung, statt Glas könnte man auch von Luft ausgehen und dann darauf folgern, dass man mit einer Taschenlampe mit gebündeltem Strahl einen ganzen Raum erleuchten könnte (weil das Licht ja von jedem Luftmolekül gestreut wird und sich Elementarwellen in alle Raumrichtungen ausbreiten).

Die Lösung liegt in der Interferenz der einzelnen Elementarwellen. Im Wesentlichen geht es darum, dass sich Lichtwellen ja wie alle anderen Wellen konstuktiv (verstärkend, d.h. Wellental auf Wellental und ~berg auf ~berg) oder destruktiv (auslöschend, also Tal auf Berg) überlagern können. Bei der Ausbreitung eines Lichtstrahls in einem Medium (ob Glas oder Luft, ob n groß oder klein, spielt eine Rolle), überlagern sich die einzelnen Huygenschen Elementarwellen gerade so, dass überall außer in Richtung des Strahles *destruktive* Interferenz stattfindet. Man findet also nicht im ganzen Medium Licht. Deshalb kann man dem Strahl überhaupt eine Richtung zuordnen. Die genaue mathematische Beschreibung ist freilich ziemlich kompliziert…

Gruß
Marco

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Deshalb kann man dem Strahl
überhaupt eine Richtung zuordnen. Die genaue mathematische
Beschreibung ist freilich ziemlich kompliziert…

Eigentlich nicht: Angenommen ich habe an einem Punkt Wellen von allen möglichen Phasen. Diese kann man sich anschaulich als Zeiger in alle mögliche Richtungen vorstellen. Wenn tatsächlich alle mögliche Richtungen vorhanden sind, finde ich zu irgend einem Zeiger auch einen, der genau um 180° verdreht ist. Dieses Zeigerpaar interferriert also destruktiv. Und so kann ich nach und nach jedes Zeigerpaar auslöschen.

Das Ganze funktioniert nur dann nicht, wenn die Zeiger eine Vorzugsrichtung haben, d. h. wenn Wellen einer bestimmten Phase überwiegen. Und das ist genau die Bedingung für konstruktive Interferenz.

Also: Dort wo die Bedingung für konstruktive Interferenz nicht erfüllt ist - also außerhalb des Strahlengangs - herrscht destruktive Interferenz.

Diese Begründung gilt natürlich nur, solange der Strahl hinreichend breit ist. Engt man ihn (z. B. durch einen Spalt) so weit ein, dass man abseits des Strahls nicht mehr alle Phasen zur Verfügung hat, kommt es auch dort nicht zur vollständigen Auslöschung: das nennt man dann Beugung.

Michael

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Hallo,
ich habe hier eine Animation zum Thema „Prinzip von Huygens“,
die Erklären soll, warum das Licht einen Knick macht, wenn es
durch Medien unterschiedlicher Berchzahl geht.
Die Animation unter
http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm.
Das hab ich soweit verstanden.
Es bildet sich eine neue Wellenfront aus, weil sich im neuen
Medium alle von der ersten Wellenfront angeregten Wellen
überlagern.
Nun sieht man da aber auch sehr schön, dass die einzelnen
Wellenzentren nicht nur Licht in Richtung neuer Wellenfront
aussenden, sondern auch nach hinten, unten, oben.
Folglich müsste man doch, wenn man also Licht von Luft durch
einen Glasbaustein schickt, im ganzen Glas Licht finden. Also
auch wenn man Licht von links oben nach rechts unten schickt,
müsste man doch auch links unten und rechts oben gestreutes
Licht finden, wenn ich die Animation richtig gedeutet habe.

Stimmt das also, dass man im ganzen Baustein Licht findet,
auch wenn der Lichtstrahl, der auf den Glasbaustein trifft, im
Vergleich zur Dicke des Bausteins, dünn ist?

Nein, das Licht wird bei Huygens nicht gestreut, sondern gebeugt (Stw. Beugung am Spalt) oder gebrochen (Stw. Brechungsgesetz). So genau weiß ich das auch nicht, und würde mich freuen, wenn der eine und andere Experte mich korrigiert oder ergänzt.

Bei der Streuung des Lichtes ist das Medium dünn. Das Licht wird da tatsächlich ‚gestreut‘ und die Wahrscheinlichkeit, wie viel in eine Richtung gestreut wird, hängt vom Streuwinkel und der Wellenlänge (Energie) ab. Der blaue Himmel lässt sich so erklären.

Bei der Beugung und Brechung hat man es dagegen mit Interferenzproblemen zu tun. Ich beschränke mich auf die Frage: „(geometrische) Beugung des Strahles auf Grund des Brechungsindex“.

Mit gebeugt meint man hier also die geometrische Form des Strahles. Wir sollten aber lieber „Brechung des Strahles“ verwenden.

Bei der Brechung hat man die Situation, das das Medium dicht ist und homogen erscheint. Obwohl das Licht nicht kohärent ist, tritt Interferenz auf.

Grund: Ein und derselbe Strahl ist an einer Stelle des Mediums und einer kleinen Umgebung um diese Stelle Ausgangspunkt von vielen vielen Kugelwellen, die auf Grund der räumlichen und zeitlichen Nähe untereinander kohärent sind und auch dieselbe Polarisation haben. Da diese vielen Wellen viele optische Gangunterschiede haben (deswegen das homogene Medium), löschen sie sich perfekt aus. Nur in zwei Richtungen nicht: vorwärts und rückwärts.

Das rückwärts findet in der Natur natürlich nicht statt und ist ein Artefakt des Huygensschen Prinzipes. Kirchhoff hat die Theorie verfeinert und gezeigt, dass sich das Licht tatsächlich nur vorwärts ausbreitet.

Das Ganze nennt man übrigens Geometrische Optik und ist ein theoretischer Grenzfall für Wellenlänge -> unendlich (aka homogenes Medium). Es beschreibt approximativ eines von vielen Effekten bei der Ausbreitung von Licht in Materie.

Vielen Dank
Tim

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Was Du beschreibst, widerspricht ja der alltäglichen
Erfahrung, statt Glas könnte man auch von Luft ausgehen und
dann darauf folgern, dass man mit einer Taschenlampe mit
gebündeltem Strahl einen ganzen Raum erleuchten könnte (weil
das Licht ja von jedem Luftmolekül gestreut wird und sich
Elementarwellen in alle Raumrichtungen ausbreiten).

Ich meinte doch nicht, dass es viel Licht ist, was sich da im ganzen Glasbaustein aubreitet. Das meiste in Richtung des Lichtstrahls, wie er verlaufen sollte.
Aber wenn man die Animation anschaut(http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm), dann könnte man doch ach auf den Gedanken kommen, dass nicht nur positive Interferenz entlang der Lichtausbreitung entsteht, sonder auch irgendwo anderst im Glas.

Also der gebrochene Lichtstrahl, den man dann im Glas sieht, wenn er aus der Luft ins Glas geht, ist sozusagen das Interferenzbild aller gebeugten Wellen, die von den jeweiligen kleinen Wellenzentren ausgehen.
Wenn man das mathematisch nachrechen würde, die Formeln für positve und negative Interferenz aufstellen würde und alle kleinen Wellenzentren mit einbeziehen würde, dann bekäme man wirklich nur entlang des gebrochenen Lichtstrahls positive Interferenz, überall sonst negative.
Ich kann mir nur schwer vorstellen, dass das wirklich rauskommt.