Beugung

Beugung bezeichnet das Umbiegen und Ausbreiten von Wellen, wenn sie Hindernisse passieren oder durch Öffnungen treten. Sie ist ein grundlegendes Phänomen der Wellentheorie und tritt bei Licht, Ton, Wasserwellen sowie bei Materiewellen wie Elektronen auf. Durch Beugung entstehen Interferenzmuster aus der Überlagerung sich überlagernder Teilwellen, die charakteristische Helligkeitsverteilungen ergeben.

Historisch bildeten Huygens’ Wellentheorie und Youngs Doppelspaltversuch die Beugungsthematik. Spätere Arbeiten von Fresnel und Fraunhofer schufen differenzierte Modelle: Fresnel-Beugung beschreibt nahe Felder, Fraunhofer-Beugung beschreibt Fernfelder, oft mit Linse oder speziellen Öffnungen realisiert. Diese Konzepte gelten unabhängig von der Wellenart.

Bei Beugung durch Spalte oder Gitter zeigen sich Hauptmaxima und Nebenmaxima. Die Form des Beugungsmusters hängt von Spaltbreite a, Spaltabstand d und Wellenlänge λ ab. Für eine einzelne Spalte gilt grob I(θ) ∝ (sin β / β)^2 mit β = π a sin θ / λ; bei mehreren Spalten addieren sich die Teilwellen zu komplexeren Mustern, die oft durch I ∝ cos^2(δ/2) (sin β / β)^2 beschrieben werden, wobei δ von d sin θ / λ abhängt.

Beugung setzt Grenzen für die Auflösung optischer Systeme und beeinflusst auch Röntgen-, Elektronen- und Neutronenbeugung. Anwendungen reichen von der Bestimmung Kristallstrukturen (Röntgendiffraktometrie) über die Optimierung optischer Instrumente bis hin zu Mikroskopie und Astronomie. Die Beugung bleibt ein zentrales Konzept zur Beschreibung der Wellennatur in vielen Bereichen der Wissenschaft.

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