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3.Beugung

3.1.Beugung am Spalt

Trifft ein Lichtstrahl, oder genauer, eine elektromagnetische Welle, egal ob Radiowelle, Licht-, Röntgen-, oder Gammastrahl auf einen Spalt, oder auf die Kante eines undurchdringlichen Stoffes, so ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Welle. Man sagt, der Strahl wird gebeugt. Anders als beim Prisma beobachtet man, daß blaues Licht weniger stark abgelenkt wird als rotes Licht.
Das Verhältnis zwischen Wellenlänge und Spaltdurchmesser bestimmt die Stärke der Ablenkung.
Findet die Beugung an einem Spalt statt, so ist der Effekt umso stärker, je enger der Spalt ist. Ist der Spalt aber deutlich schmaler als die Wellenlänge des auftreffenden Strahls, so kann die elektromagnetische Welle den Spalt nicht mehr passieren.
Sie wird dann reflektiert oder absorbiert, je nach der Materialbeschaffenheit des Spalts.
Die Beugung kommt zustande, indem die Kanten eines Spalts, sobald sie von einer Welle getroffen werden, diese auftreffende Welle in alle Richtungen wieder abstrahlen.
Diese neu abgestrahlte Welle überlagert sich nun mit den Wellenteilen, die ungehindert den Spalt passieren und erzeugt sogenannte Interferenzmuster:
Trifft der "Wellenberg" einer eletromagnetischen Welle auf den Wellenberg einer zweiten, so addieren sich die Intensitäten der Wellen an dieser Stelle, trifft Wellenberg auf Wellental, so wirkt sich die Intensität des Wellentales abschwächend auf die Intensität des Wellenberges aus.
Treffen Wellen gleicher Intensität so aufeinander, daß Wellenberg und Wellental sich genau überlagern,so Löschen sie sich aus.

3.2.Auswirkungen der Beugung auf das optische Auflösungsvermögen

Jede Kante, die von einer elektromagnetischen Welle getroffen wird, beugt diese Welle, solange sie für die Welle undurchdringlich ist.
Auch die Kanten einer Linse, eines Spiegels und einer Taukappe beugen das passierende Licht. Diese Beugung ist, neben der Wellenlänge der beobachteten Strahlung, der zweite Faktor, der das Auflösungsvermögen von Fernrohren, Teleskopen und auch Radioteleskopen (Radiowellen sind schließlich Licht einer sehr niedrigen Frequenz) festlegt.
Genauer gesagt ist das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Spaltgröße auch hier der bestimmende Faktor, und für das Licht ist die Objektivöffnung eines Teleskops genauso ein Spalt (wenn auch ein runder), wie es die Schüssel eines Radioteleskops für Radiowellen ist.
In einem Teleskop ist jeder Stern von mehreren Beugungsscheibchen umringt, und egal wie scharf man sein Gerät einstellt, diese Scheibchen verschwinden niemals. Man sieht hier das Interferenzmuster, das die Kante des Spiegels oder der Linse oder des Tubus selber erzeugt.
Zwei Sterne sind genau dann optisch zu trennen, wenn ihre zentralen Beugungsscheibchen sich nicht mehr berühren.
Je größer der Spalt wird, der das Licht beugt, umso kleiner wird die Ablenkung durch die Beugung. Das heißt also: Je größer der Objektivdurchmesser, desto kleiner das Beugungsscheibchen und desto höher das optische Auflösungsvermögen eines Instruments.
Weitere Beugungseffekte sind die Strahlen eines Überbelichteten Sterns auf einer Astroaufnahme. Diese Strahlen sind Auswirkungen der Beugung an der Fangspiegelhalterung eines Reflektors.
Aber: Wer nun meint, drei Streben seien damit eine günstigere Fangspiegelhalterung, der irrt. Jede Strebe erzeugt zwei gegenüberliegende Beugungsstrahlen am Bild eines Sterns. Bei vier Streben überlagern sich jeweils zwei Strahlen (und verstärken sich damit natürlich), bei drei Streben entstehen nun aber nicht vier, sondern sechs Beugungsstrahlen.

3.3 Das Gitterspektrum

Ein Gitter zur spektralen Zerlegung des Lichts ist nichts anderes als eine Anordnung von vielen Spalten nebeneinander, wobei der Abstand der einzelnen Spalte genau gleich gehalten sein muß.
Mit solch einem Gitter wird es möglich, nicht nur einen Lichtstrahl, sondern alle Lichtstrahlen einer ganzen Bildfläche zu beugen und so spektral zu zerlegen.
Ein solches Gitter kann im einfachsten Falle aus Nylon- oder sogar Zwirnsfäden bestehen, die über das Gewinde zweier Schrauben im gleichen Abstand aufgespannt werden.
Professionelle Gitter werden in Metallfolien geätzt oder ähnlich der Spuren einer CD auf spiegelndes Metall geprägt. Charakteristisch für die Beugungsstärke eines Gitters ist die Linienzahl pro mm.
Wie schon angedeutet wurde, wird bei einem Gitterspektrum das rote Licht am stärksten abgelenkt und das blaue Licht am wenigsten. Ein weiterer Unterschied zum Prisma ist die Entstehung mehrerer Spektren.
Wie in der Zeichnung ersichtlich gibt es mehrere Stellen, an denen sich die Wellenfronten hinter dem Spalt aufaddieren. Dadurch entstehen auf beiden Seiten eines Sterns mehrere (unendlich viele) Spektren, von denen nach außen hin jedes einzelne schwächer, aber weiter in die Länge gezogen erscheint.
Die beiden innersten Spektren heißen Primärspektren, nach außen folgen dann Sekundärspektrum, Tertiärspektrum und so weiter. In der Mitte erscheint weiterhin des ein wenig abgeschwächte Originalbild des Sterns. Auch dieses Bild fehlt beim Prisma.
Ein Gitter zerlegt also nur einen Teil des Lichts in ein Spektrum, während in einem Prisma alles durchgehende Licht das Spektrum erzeugt. Dennoch hat das Gitter wesentliche Vorteile: Ein Prisma erzeugt ein Spektrum, in dem der blaue Anteil des Lichtes wesentlich stärker auseinandergezogen wird, als der rote Bereich. Außerdem ist ein Gitter wesentlich einfacher zu handhaben und dank der heutigen Technik können die Spalte eines Gitters so eng geätzt werden, daß ein Gitter zur Spektralanalyse Leistungsfähiger ist, als ein Prisma.

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