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Einleitung

Beugung, im allgemeinen Sinn ein Phänomen, durch das sich Wellen oder Teilchenstrahlen infolge Reflexion oder Brechung nicht geradlinig ausbreiten, sondern in bestimmter Weise abgelenkt werden.

Treffen zwei Wellen gleicher Frequenz aufeinander, so addieren sich die Auslenkungen (hier: elektrisches und magnetisches Feld); man spricht auch von Überlagerung (Superposition) der Wellen. Je nach Phasendifferenz (Gangunterschied) der Wellen können sie sich dadurch gegenseitig auslöschen (destruktiv interferieren) oder verstärken (konstruktiv interferieren, siehe Interferenz). Dieses Phänomen ist an Wasserwellen leicht zu beobachten und lässt sich auch an Schallwellen (siehe Akustik) vorführen.

Ein klassisches Interferenzexperiment besteht darin, monochromatisches Licht (einfarbiges Licht, also Licht von einer bestimmten Wellenlänge) auf einen undurchsichtigen Schirm („Blende”) fallen zu lassen, der nur ein kleines (kreisrundes) Loch hat, durch das das Licht hindurchtreten und dann auf einem zweiten Schirm dahinter einen sichtbaren Lichtfleck erzeugen kann. Wenn der Durchmesser der Öffnung in der Größenordnung der Wellenlänge liegt, also nicht mehr als wenige Mikrometer beträgt, dann ist das Bild auf dem zweiten Schirm nicht etwa eine Kreisscheibe vom gleichen Durchmesser wie die Öffnung (wie bei großen Öffnungen tatsächlich der Fall), sondern besteht aus mehreren konzentrischen Ringen; vom Mittelpunkt des Bildes aus erscheinen also abwechselnd helle und dunkle Streifen (Interferenzstreifen).

Die Erklärung dafür ist, dass die verschiedenen Anteile der Lichtwelle, die durch die Öffnung treten, miteinander interferieren. Der Gangunterschied hängt dabei vom Abstand von der Mittelachse ab, und je nach Abstand ist die Interferenz konstruktiv oder destruktiv. Eine mathematische Behandlung, die etwa den Abstand der Interferenzstreifen berechnet, ist auf zweierlei Weise möglich: Einerseits kann man durch ein mehrfaches Integral die elektrischen und magnetischen Felder gemäß der Maxwell’schen Gleichungen berechnen. Andererseits kann man sich das Huygens’sche Prinzip zunutze machen, welches besagt, dass jeder Punkt auf einer Wellenfront als Quelle sekundärer kugelförmiger Wellen betrachtet werden kann, die sich von ihren Mittelpunkten in alle Richtungen ausbreiten, und die man zur Bestimmung der wahren Wellenausbreitung zu addieren hat. Diese Sekundär- oder Elementarwellen haben die gleiche Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge wie die ursprüngliche Wellenfront. Die Wellenfront der Gesamtwelle ist nichts anderes als die einhüllende Fläche der Wellenfronten der Sekundärwellen. Um die Winkel stärkster Auslöschung oder Verstärkung zu bestimmen, muss man auffinden, unter welchen Winkeln die Sekundärwellen sich auslöschen bzw. verstärken.

Eine besondere Konsequenz dieses Interferenzmusters aus mehreren Ringen ist, dass Licht an Stellen auftrifft (den äußeren Ringen nämlich), an die es auf geradlinigem Weg durch die Öffnung gar nicht hätte gelangen können. Diese Richtungsänderungen bezeichnet man als Beugung des Lichts, und spricht von einem „Beugungsmuster”. Lichtwellen können in umgekehrter Weise auch Teilchenstrahlen, wie z. B. Elektronenstrahlen, beugen. Siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus