Diffraktionsmustern

Diffraktionsmuster sind charakteristische Verteilungen der Lichtintensität, die entstehen, wenn Wellen durch Öffnungen oder an Hindernissen gebeugt werden und sich die dabei entstehenden Teilwellen überlagern. Die Muster treten nicht nur bei sichtbarem Licht auf, sondern auch bei Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen und anderen Wellenformen. Sie liefern häufig Informationen über die Struktur der hindernis- oder durchlassenden Objekte.

Man unterscheidet grob zwischen Beugung im Fernfeld (Fraunhofer-Beugung) und im Nahfeld (Fresnel-Beugung). Das Muster hängt stark von der Form der Öffnung ab. Eine Einspalt-Beugung erzeugt ein zentrales Maximum mit abnehmenden Nebenmaxima; eine Zweispalt-Anordnung führt zu einem Interferenzmuster, dessen Struktur durch das Spaltmaß und die Wellenlänge bestimmt wird. Beugungsgitter erzeugen eine Folge scharfer Maxima, deren Positionen sich weitgehend durch die Beugungsordnung und die Wellenlänge bestimmen lassen.

Mathematisch lässt sich das Muster oft als Fourier-Transformation der Aperturfunktion interpretieren: Die Form der Öffnung spiegelt sich in der Verteilung der Intensität wider. Die Wellenlänge und die Geometrie bestimmen, wo Maxima auftreten.

Anwendungen finden sich in der Optik, der Spektroskopie und der Materialforschung. In der Kristallographie und Elektronenmikroskopie dienen Diffraktionsmuster dazu, Strukturen und Abstände zu bestimmen; Bragg-Gleichungen und Beugungsordnungen ermöglichen Rückschlüsse auf Gitterabstände und Phasen.

Historisch prägten Youngs Doppelspalt-Experiment und die späteren Arbeiten zur Fresnel- und Fraunhofer-Beugung das Verständnis von Diffraktionsmustern und ihrer Bedeutung für die Wellenbeschreibung.