Basiswissen

Der Engländer Thomas Young veröffentlichte im Jahr 1804 den quasi-Vorläufer des heute bekannten Doppelspaltexperimentes. Statt einer Wand mit zwei Spalten verwendete er Pappkarten, mit denen er einen Lichtstrahl teilte. Das Experiment kann mit einfachen Laserpointern nachgestellt werden. Es entstehen dabei makroskopisch sichtbare Interferenzen. Ein Experiment mit einem Doppelspalt führte er erst im Jahr 1807 durch.^[3]

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Das Youngsche Experiment mit einem einfachen Laserpointer nachgestellt.☛

Young 1804

Der Vorläufer des heutigen Doppelspaltexperiments nutzte noch keine zwei Spalten sondern einen einzige Spielkarte. Aber indem diese in den Lichtstrahl gehalten wurde, wirkte sie ähnlich wie ein Doppelspalt:

ZITAT:

"Versuch 1. Ich bohrte ein kleines Loch in einen Fensterladen und bedeckte es mit einem Stück dickem Papier, das ich mit einer feinen Nadel durchstochen hatte. Zur besseren Beobachtung stellte ich einen kleinen Spiegel außerhalb des Fensterladens so auf, dass das Sonnenlicht nahezu horizontal auf die gegenüberliegende Wand reflektiert wurde und der divergierende Lichtkegel über einen Tisch fiel, auf dem sich mehrere kleine Pappstreifen befanden. Ich hielt einen etwa ein Dreißigstel Zoll breiten Pappstreifen in den Sonnenstrahl und beobachtete seinen Schatten entweder an der Wand oder auf anderen Pappstreifen, die ich in unterschiedlichem Abstand hielt. Neben den Farbsäumen auf beiden Seiten des Schattens war der Schatten selbst durch ähnliche parallele Ränder kleinerer Größe unterteilt, deren Anzahl je nach Beobachtungsabstand variierte, die Mitte des Schattens jedoch stets weiß blieb. Diese Streifen entstanden durch die gemeinsamen Effekte der Lichtanteile, die auf beiden Seiten des Kartonstreifens hindurchgingen und in den Schatten gebeugt wurden. Ein kleiner Schirm wurde einige Zentimeter von der Karte entfernt aufgestellt, um beide Schattenränder abzufangen. Alle zuvor im Schatten an der Wand beobachteten Streifen verschwanden sofort, obwohl das auf der anderen Seite gebeugte Licht seinen Verlauf beibehalten konnte und die Nähe des anderen Randes des Kartonstreifens möglicherweise eine Veränderung bewirkt haben musste."^[1]

Bemerkenswert ist hier unter anderem Young Beobachtung, dass die "Mitte des Schattens stets weiß blieb". Nach der klassischen Vorstellungen der Strahlenoptik oder der Vorstellung von Licht als einem geradlinig sich ausbreitendem Strom von kleinsten Teilchen müsste gerade die Mitte des Schattens am dunkelsten bleiben. In der heutigen Interpretation ist die Mitte des Schattens ein Maximum 0ter Ordnung in dem Interferenzmuster. Siehe dazu auch Interferenzmuster ↗

Young verwendete das Wort Beugung, konnte deren Entstehung selbst aber nicht weiter erklären. Ernst Mach zufolge soll Young mehrere Ursachen in Erwägung gezogen haben, etwa Reflexionen des Lichts an den Kanten oder Veränderungen in der Beschaffenheit des hypothetischen Äthers des Lichts.^[4]

Ist das wirklich ein Doppelspaltexperiment?

Nein, aber es wird üblicherweise als Urversion des Doppelspaltexperimentes zitiert. Physikalisch gesehen ist es am ehesten ein Einzelspaltexperim. Nach dem Babinetischen Prinzip ergeben dünne Hindernisse in einem Lichtstrahl dasselbe Beugungsmuster wie dünne Spalten durch die Licht geht. Nach Babinet wirkt Youngs Karte also analog einem dünnen Spalt. Siehe auch unter Einzelspaltexperiment ↗

Wie kann man das Experiment nachstellen?

In der Lernwerkstatt Aachen wurde das Experiment folgendermaßen nachgestellt: Als Lichtquelle dient ein einfacher Laserpointer: Wellenlänge zwischen 620 bis 680 Nanometer, Leistung kleiner als 1 Watt. Der Laserstrahl wurde auf eine etwa 3 Meter entfernte Wand gerichtet. Etwa 2 bis 3 Zentimeter von der Laserquelle Richtung Projektionswand wurde ein etwa 0,5 bis 1 mm dickes Stück Holz so in den Strahl gehalten, dass der Strahl in eine linke und rechte Hälfte geteilt wurde. Mit einem Stück Papier konnte man einige wenige Dezimeter hinter dieser Stelle (Richtung Wand gehalten) zwei rote Flecken ohne Interferenzmuster sehen. Auf der 3 Meter entfernten Wand bildete sich ein gut 2 cm breites Muster mit sehr deutlichen hellen und dunklen senkrechten Streifen in sehr gleichmäßigem Abstand (Größenordnung 1 Millimeter).

Fußnoten

[1] Die deutsche Übersetzung wurde mit Hilfe einer KI erstellt und von mir korrekturgelesen. Das originale Zitat auf Englisch ist: "Exper. 1. I made a small hole in a window-shutter, and covered it with a piece of thick paper, which I perforated with a fine needle. For greater convenience of observation, I placed a small looking glass without the window-shutter, in such a position as to reflect the sun’s light, in a direction nearly horizontal, upon the opposite wall, and to cause the cone of diverging light to pass over a table, on which were several little screens of card-paper. I brought into the sunbeam a slip of card, about one-thirtieth of an inch in breadth, and observed its shadow, either on the wall, or on other cards held at different distances. Besides the fringes of colours on each side of the shadow, the shadow itself was divided by similar parallel fringes, of smaller dimensions, differing in number, according to the distance at which the shadow was observed, but leaving the middle of the shadow always white. Now these fringes were the joint effects of the portions of light passing on each side of the slip of card, and inflected, or rather diffracted, into the shadow. For, a little screen being placed a few inches from the card, so as to receive either edge of the shadow on its margin, all the fringes which had before been observed in the shadow on the wall immediately disappeared, although the light inflected on the other side was allowed to retain its course, and although this light must have undergone any modification that the proximity of the other edge of the slip of card might have been capable of occasioning." In: Thomas Young, Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, "Philosophical Transactions of the Royal Society of London", vol 94 (1804). URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1804.0001

[2] Michelle Mercier: In einem anderen Licht: das Youngsche Doppelspaltexperiment. In P. Heering (Hrsg.), Kanonische Experimente der Physik -- Fachliche Grundlagen und historischer Kontext (pp. 67 -- 87), Berlin, Heidelberg: Springer Spektrum. 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-64646-5

[3] "Das Experiment, welches heute als Youngsches Doppelspaltexperiment kanonisiert wird, wurde von Young erst 1807 und ausschließlich in einem didaktischen Kontext veröffentlicht." Michelle Mercier: Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young. Institut für Physik und ihre Didaktik und Geschichte. Europa-Universität Flensburg. 2018.

[4] Über die Ursachen der Beugung konnte Young nur spekulieren. Ernst Mach zufolge zog er mindestens zwei tiefere Ursachen in Betracht: "In bezug auf die Beugung schwankt Young noch, indem er dieselbe bald auf eine Reflexion an den Rändern des beugenden Körpers, bald auf eine den Körper umgebende, verdichtete, brechende Ätheratmosphäre zurückführt." In: Ernst Mach: 1921. Die Prinzipien der physikalischen Optik: Historisch und erkenntnispsychologisch entwickelt. Leipzig: Johann Ambrosius Barth. 475 Seiten. Volltext (Digitalisat): https://archive.org/download/b2229448x/b2229448x.pdf