Wellenphänomene: Huygens, Beugung, Reflexion, Brechung und Polarisation

Grundlagen der Wellenoptik und Wellenphänomene

Huygens-Prinzip

Jeder Punkt einer Wellenfront ist der Ausgangspunkt elementarer Kugelwellen (Elementarwellen), die sich in alle Richtungen ausbreiten. Die neue Wellenfront ist die Einhüllende (Hüllfläche) aller Elementarwellen.

Beugung (Diffraktion)

Beugung tritt auf, wenn Wellen auf ein Hindernis treffen oder durch eine Öffnung (einen Spalt) passieren. Dieses Phänomen ist besonders ausgeprägt, wenn die Breite des Spalts oder des Hindernisses von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge ist.

Reflexion

Reflexion ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle, wenn sie auf eine Grenzfläche oder ein Hindernis trifft.

Gesetz der Reflexion

• Der einfallende Strahl, das Lot (die Normale) und der reflektierte Strahl liegen in der gleichen Ebene.
• Der Einfallswinkel (i) ist gleich dem Reflexionswinkel (r): i = r.

Brechung (Refraktion)

Brechung ist die Richtungsänderung einer Welle beim Übergang von einem Medium in ein anderes, in dem die Wellengeschwindigkeit unterschiedlich ist.

Gesetz der Brechung (Snellius)

• Der einfallende Strahl, das Lot (die Normale) und der gebrochene Strahl liegen in der gleichen Ebene.
• Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels (i) zum Sinus des Brechungswinkels (r) ist gleich dem Verhältnis der Wellengeschwindigkeiten in den beiden Medien: $$ \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{v_1}{v_2} $$

Polarisation

Eine Transversalwelle ist polarisiert, wenn die Schwingungen der Welle alle in der gleichen Ebene stattfinden.

Polarisiertes Licht kann mithilfe von Kristallen oder Polymeren (Polarisatoren) erzeugt werden, oder durch Reflexion und Brechung.

Wenn unpolarisiertes (natürliches) Licht auf eine Grenzfläche trifft, an der es reflektiert und gebrochen wird, kann die Polarisation des Lichts überprüft werden:

Wenn die Summe aus Einfallswinkel (i) und Brechungswinkel (r) 90° beträgt (Brewster-Winkel), ist der reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert (horizontal) und der gebrochene Strahl ist teilweise polarisiert.