Poisson-Fleck

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Die Wellenfronten der auf eine Kugel (blau) von links einfallenden ebenen Welle (die Maxima und Minima sind blau beziehungsweise orangefarben dargestellt) sind auf der zentralen Achse rechts hinter der Kugel phasengleich und interferieren daher konstruktiv, so dass an jedem Punkt auf der Achse zum Beispiel auf einer Projektionsfläche ein Lichtfleck nachgewiesen werden kann (hellgrauer Fleck auf dem grauen Schirm rechts).

Der Poisson-Fleck ist ein Beugungsphänomen der Optik und beschreibt den hellen Fleck in der Mitte einer Beugungsfigur bei Beugung von Licht an einem kreisrunden lichtundurchlässigen Objekt.

Alle Punkte eines Kreises haben den gleichen Abstand zu jedem Punkt auf der senkrechten Achse durch den Mittelpunkt des Kreises. Bei senkrechter Beleuchtung des Objektes interferieren alle Elementarwellen daher konstruktiv auf der gesamten Achse.

Die Wellenfronten der auf eine lichtundurchlässige Scheibe (blau) von links einfallenden ebenen Welle (Maxima und Minima sind blau beziehungsweise orangefarben dargestellt) verursachen an der Kante der Scheibe kugelförmige Elementarwellen, die sich rechts hinter der Scheibe überlagern. Die hellgrauen Linen und Flecke veranschaulichen die Orte mit konstruktiver Überlagerung (gleiche Phasenlage) und die schwarzen Linien und Flecke die Orte mit destruktiver Überlagerung (gegenphasige Auslöschung).

Nach dem Huygensschen Prinzip überlagern sich alle von einer Kante ausgehenden, kugelförmigen Elementarwellen, so dass sich diese auch im geometrischen Schatten hinter lichtundurchlässigen Objekten ausbreiten. Durch diese Beugung von Licht ergeben sich bei der Überlagerung aller zu berücksichtigenden Elementarwellen bestimmte Interferenzmuster, die auf einer geeigneten Projektionsfläche sichtbar gemacht werden können.

Geschichte[Bearbeiten]

Viele Wissenschaftler, wie auch Isaac Newton, lehnten damals eine wellentheoretische Betrachtung des Lichtes, wie zum Beispiel durch Christiaan Huygens ab und gingen unverändert davon aus, dass es sich bei Licht um ein Teilchenphänomen handelt, deren Trajektorien rein mechanisch beschrieben werden könnten. Es war den damaligen Wissenschaftlern noch nicht bekannt, dass Licht nur dann vollständig beschrieben werden kann, wenn der quantenmechanische Welle-Teilchen-Dualismus zu Grunde gelegt wird.

Um sich den theoretischen Ursachen für die vielfältigen unerklärbaren optischen Beobachtungen zu nähern, wurde 1818 von der französischen Académie des sciences ein Wettbewerb ausgeschrieben. Der 30-jährige Ingenieur Augustin-Jean Fresnel beteiligte sich bei diesem Wettbewerb mit einer neuartigen Arbeit über die Wellentheorie des Lichtes. Die Jury, der auch Siméon Denis Poisson angehörte, wurde von François Arago geleitet.[1]

Poisson studierte die von Fresnel eingereichte Arbeit, war aber auch nach der Lektüre von der Teilchennatur des Lichtes überzeugt. Mit einem einfachen Gedankenexperiment versuchte er die Gültigkeit der fresnelschen Theorie zu widerlegen: Nach seinen auf der Theorie beruhenden Überlegungen müsste im Zentrum des Schattens hinter einem runden, beleuchteten Gegenstand Licht nachzuweisen sein, da das Licht von der gesamten kreisförmigen Kante des Hindernisses nach der Theorie als Welle dort konstruktiv interferieren würde. Da dies erfahrungsgemäß und ganz offensichtlich jedoch nicht der Fall sei, wären auch die Ideen von Fresnel abwegig. Damit stellte sich Poisson bewusst auch gegen die bereits von Christiaan Huygens beschriebene Wellennatur des Lichtes.

Poisson-Fleck in der Mitte eines Schattens einer 2 Millimeter großen, lichtundurchlässigen Scheibe in einem Meter Abstand und das entsprechende konzentrische Ringmuster, die durch Interferenz entstehen

Arago beschloss jedoch, dieses Experiment unter sehr exakten Bedingungen durchzuführen und konnte die Existenz eines solchen Lichtflecks tatsächlich nachweisen, indem er eine Metallscheibe mit einem Durchmesser von zwei Millimetern mit Wachs auf einer Glasplatte befestigte und beleuchtete.[1]. Damit war ein starkes und überzeugendes Argument für die vorhergesagte Wellennatur des Lichtes gegeben, und zum Leidwesen Poissons gewann Fresnel schließlich den Wettbewerb.

Das Phänomen wurde zwar auch schon 1715 von Joseph-Nicolas Delisle[2] und 1723 von Giacomo Filippo Maraldi beschrieben[3], deren Werke waren zunächst aber weitgehend unbeachtet geblieben.

In der englischen Literatur wird der Begriff Poisson’s spot gleichbedeutend mit Arago’s spot benutzt.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Augustin-Jean Fresnel: Œuvres complètes d'Augustin Fresnel: Théorie de la lumière Imprimerie impériale, Paris, 1866 (Digitalisat in der Google-Buchsuche).
  2. Joseph-Nicolas Delisle: Reflexions In: Mémoires de l’Académie Royale des Sciences. 1715, S. 166–169 (Volltext auf Gallica).
  3. Giacomo Filippo Maraldi: Diverses expèriences d'optique In: Mémoires de l’Académie Royale des Sciences. Imprimerie impériale, 1723, S. 111–142 (Volltext auf Gallica).