Grundlagen elektromagnetischer Interferenz

Die Interferenz elektromagnetischer Wellen ist eines der herausragenden Themen der Physik, da viele Messverfahren auf ihr beruhen. Dies betrifft insbesondere die Spektroskopie, die zur Wellenlängenbestimmung z. B. in der Atomphysik und anderen Teilgebieten genutzt wird.

Interferenz verschiedener Wellenarten

Zunächst einmal können wir die Diskussion so allgemein wie möglich halten. Dadurch lassen sich die Ergebnisse auch auf andere Wellenarten (Wasserwellen, Schallwellen etc.) übertragen.

Wir betrachten die Interferenz zweier Wellen, die von zwei Quellen ausgehen.

Voraussetzungen/Bedingungen:

• Beide Wellen müssen die gleiche Frequenz aufweisen.
• Beide Wellen müssen (ungefähr) die gleiche Amplitude haben.
• Es muss eine konstante Phasenbeziehung zwischen den Wellen bestehen.

Ergebnis:

Die beiden Wellen von den Quellen $Q_1$ und $Q_2$ interferieren miteinander und es entsteht eine neue resultierende Welle. Greift man nun einen Punkt $P$ des Raumes heraus, so ist die Größe der Elongation an dieser Stelle vom Gangunterschied $\Delta s$ abhängig. Insbesondere gibt es Punkte, in denen

• konstruktive Interferenz (maximale Verstärkung)

oder

• destruktive Interferenz (Auslöschung)

vorliegt.

Die Beziehung zwischen dem Gangunterschied $\Delta s$ und der Wellenlänge $\lambda$ für die beiden Fälle haben wir bereits im Kapitel Schwingungen und Wellen - Grundlagen diskutiert und angegeben.

Bestimmung des Gangunterschiedes zweier Wellen (Zwei-Quellen-Interferenz)

Messung & Berechnung des Gangunterschiedes $\Delta s$

Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhang ist, wie man den Gangunterschied messen oder berechnen kann.

• Der Gangunterschied ist gerade die Laufstrecken-Differenz der beiden Wellen von den entsprechenden Quellen $Q_1$, $Q_2$ zum Punkt $P$.

Wie man diese Differenz berechnen kann, ist in der Zeichnung gezeigt.

Bei bestimmten Dipolwellen lässt sich der Gangunterschied häufig direkt ausmessen.

Dies ist bei Lichtwellen experimentell anspruchsvoller, weil die auftretenden Wellenlängen und damit auch die Gangunterschiede sehr viel kleiner sind. Daher muss die Wellenlängenmessung mit einer raffinierten Methode durchgeführt werden.

Gangunterschied bei großen Abständen von den Quellen

Bei hinreichend großem Abstand von den beiden Quellen lässt sich eine gute Näherung für den Gangunterschied durchführen, die auf einer einfachen trigonometrischen Beziehung beruht. In der Praxis lässt sich diese Approximation häufig einsetzen. Dazu betrachten wir die Zeichnung, welche die Konstruktion enthält.

Gangunterschied bei großem Abstand von den Quellen

$\overline{Q_1Q_2}=g$: Abstand der Quellen