WellenlÀngenmessung mit Doppelspalt und Gitter
Was bezeichnet der Gangunterschied Îs beim Doppelspalt?
ErklĂ€rung: Beide Spalte senden gleichphasige Elementarwellen aus. Ob sie sich am Schirm verstĂ€rken oder auslöschen, entscheidet allein ihr Wegunterschied Îs.
Unter welcher Bedingung entsteht am Doppelspalt ein Maximum k-ter Ordnung?
ErklĂ€rung: Konstruktive Interferenz verlangt einen Gangunterschied von ganzen WellenlĂ€ngen. Mit Îs = b·sin α ergibt sich die Maximumsbedingung b·sin α = k·λ.
Unter welcher Bedingung löschen sich die beiden Teilwellen am Doppelspalt aus (Minimum)?
ErklĂ€rung: Bei einem Gangunterschied von ungeradzahligen halben WellenlĂ€ngen treffen Wellenberg und Wellental aufeinander. Die Auslenkungen addieren sich zu null â destruktive Interferenz.
Ein Gitter mit der Gitterkonstante b = 2,0 ”m zeigt das Maximum 1. Ordnung unter einem Winkel mit sin α = 0,32. Berechne die WellenlÀnge des Lichts. (Antwort in Nanometern)
ErklĂ€rung: λ = b·sin α / k = 2,0·10â»â¶ m · 0,32 / 1 = 6,4·10â»â· m = 640 nm. Das ist rotes Licht â etwa das einer roten LED im SchĂŒlerexperiment.
Ein optisches Gitter trÀgt 500 Spalte pro Millimeter. Berechne die Gitterkonstante b. (Antwort in Mikrometern)
ErklÀrung: b = 1 mm / 500 = 0,002 mm = 2 ”m. Die Gitterkonstante ist der Abstand benachbarter Spaltmitten.
Beim Doppelspaltversuch mit einem Laser (Spaltabstand b = 0,2 mm, Schirmabstand a = 2,0 m) liegen benachbarte Maxima d = 6,0 mm auseinander. Berechne mit der KleinwinkelnÀherung λ = d·b/a. (Antwort in Nanometern)
ErklĂ€rung: λ = 6,0·10â»Âł m · 2,0·10â»âŽ m / 2,0 m = 6,0·10â»â· m = 600 nm. Bei so kleinen Winkeln sind die AbstĂ€nde benachbarter Maxima annĂ€hernd konstant.
Wann darf die KleinwinkelnĂ€herung sin α â tan α verwendet werden?
ErklĂ€rung: FĂŒr kleine Winkel stimmen Sinus und Tangens nahezu ĂŒberein â fĂŒr groĂe nicht. Man muss stets prĂŒfen, ob die NĂ€herung zulĂ€ssig ist, bevor man sie benutzt.
Beim optischen Gitter darf man die KleinwinkelnÀherung immer anwenden, weil die Maxima dort besonders hell sind.
ErklĂ€rung: Falsch! Die Helligkeit hat mit der NĂ€herung nichts zu tun. Gerade beim Gitter treten oft groĂe Beugungswinkel auf, bei denen sin α â tan α nicht mehr gilt â die GĂŒltigkeit ist jedes Mal zu prĂŒfen.
Dasselbe Laserlicht fÀllt einmal auf einen Doppelspalt, einmal auf ein Gitter mit gleichem Spaltabstand. Wie unterscheidet sich das Maximum 1. Ordnung?
ErklĂ€rung: Der Ort eines Maximums hĂ€ngt nur vom Spaltabstand und der WellenlĂ€nge ab (b·sin α = k·λ), nicht von der Zahl der Spalte. Beim Gitter ĂŒberlagern sich aber Wellen aus sehr vielen Spalten: Die Maxima werden viel heller und zugleich schmaler. Deshalb lassen sich Winkel und WellenlĂ€ngen mit dem Gitter genauer messen als mit dem Doppelspalt.
WeiĂes Licht fĂ€llt auf ein Gitter. Welche Farbe wird im Spektrum 1. Ordnung stĂ€rker abgelenkt?
ErklĂ€rung: Aus b·sin α = k·λ folgt, dass ein gröĂeres λ einen gröĂeren Beugungswinkel bedeutet. Rot (bis 750 nm) wird deshalb stĂ€rker abgelenkt als Blau â anders als beim Prisma.
Worin unterscheidet sich das Gitterspektrum einer Halogenlampe von dem einer Quecksilberdampflampe?
ErklĂ€rung: Der glĂŒhende Draht sendet alle WellenlĂ€ngen aus â ein kontinuierliches Spektrum. Das leuchtende Quecksilberdampf-Gas sendet nur diskrete Linien, seinen charakteristischen Fingerabdruck.
Berechne die Frequenz von rotem Licht mit λ = 750 nm. (c = 3,0·10âž m/s, Antwort in 10Âč⎠Hz)
ErklĂ€rung: f = c/λ = 3,0·10âž / 7,5·10â»â· Hz = 4,0·10Âč⎠Hz. Rotes Licht markiert das langwellige, niederfrequente Ende des sichtbaren Bereichs.
Das aus scharfen, einfarbigen Linien bestehende Spektrum einer Hg-Lampe nennt man ___.
ErklĂ€rung: Jedes Element sendet sein charakteristisches Linienspektrum aus. Darauf beruht die Spektralanalyse â schon geringste Stoffmengen sind so nachweisbar.
Der WellenlÀngenbereich von sichtbarem Licht in Luft reicht von etwa 380 nm bis 750 nm.
ErklĂ€rung: Richtig! Violett liegt am kurzwelligen Ende bei etwa 380 nm, Rot am langwelligen bei etwa 750 nm. Jenseits davon schlieĂen sich UV- und IR-Strahlung an.