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Interferenz (Physik)



Interferenz beschreibt die Überlagerung von zwei oder mehr Wellen beliebiger Art (also Schall, Licht, Materiewellen usw.) nach dem Superpositionsprinzip (also durch Addition der Amplituden, nicht der Intensitäten). Löschen sich die Wellen dabei gegenseitig aus, so spricht man von destruktiver Interferenz. Verstärken sich die Amplituden, so spricht man von konstruktiver Interferenz. Dieses ist am Beispiel gleichfrequenter, sinusförmiger Wellen mit gleicher, bzw. um 180° verschobener Phase in der Abbildung rechts dargestellt. Das Muster aus Stellen konstruktiver und destruktiver Interferenz wird als Interferenzmuster bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel ist etwa das Streifenmuster hinter einer Doppelspalt-Anordnung. Das Auftreten von Interferenz im physikalischen Experiment gilt als Nachweis für die Wellennatur der untersuchten Strahlung. So kann man etwa in einem Doppelspaltversuch auch dann ein Interferenzmuster beobachten, wenn man das Licht (Photonen) durch Elektronen ersetzt. Hier spricht man dann von Materiewellen.

Das Wort „Interferenz“ ist ebenso wie das englische „interference“, vom altfranzösischen „s'entreferir“ (sich gegenseitig schlagen) abgeleitet[1]. Dieses altfranzösische Wort wiederum ist aus der lateinischen Vorsilbe „inter“ (zwischen) und dem Verb „ferire“, (schlagen) zusammengesetzt.

   

Inhaltsverzeichnis

Auf Interferenz beruhende, physikalische Effekte

Schwebung und Stehwelle

Überlagert man zwei Wellen mit ungleichen, aber nahe beieinander liegenden Frequenzen f1 und f2, so ergibt sich durch die Schwebung ein Muster, wie es in der ersten Abbildung rechts (unterer Graph) gezeigt ist. Es bildet sich eine schnelle Oszillation aus (Frequenz fschnell = (f1 + f2)/2), die mit einer langsamen Frequenz amplitudenmoduliert ist (Frequenz fSchwebung = (f1 - f2)/2).

Zum Stimmen von Musikinstrumenten kann man die entsprechende Einstellung solange verändern, bis man zusammen mit einem Referenzton (z. B. aus einer Stimmgabel) keine Schwebung mehr wahrnimmt. Die Vermessung von Schwebungssignalen kann auch zur Messung von ansonsten (für das Messgerät) zu hohen Frequenzen genutzt werden. Dazu ist allerdings eine Signalquelle notwendig, die Signale mit sehr stabiler und präziser Frequenz liefert.

Die Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz, aber mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung führt zu einer stehenden Welle, auch Stehwelle genannt.

Kohärenz

Das Wellenfeld, das aus der Interferenz zweier (oder mehrerer) beliebiger Wellen entsteht, kann nur dann zeitlich stabil sein, wenn diese Wellen untereinander eine (zeitlich) feste Phasenbeziehung aufweisen. Dieses ist z. B. gegeben, wenn die Wellen aus der gleichen Quelle stammen. Man spricht dann von kohärenten Wellen. Sind die Wellen nicht monochromatisch, bestehen also aus einer ganzen Reihe von Frequenzanteilen, so definiert man eine Kohärenzzeit, die beschreibt, wie die Wellen maximal gegeneinander verschoben sein dürfen, um noch ein stabiles Interferenzbild zu erzeugen. Diese Kohärenzzeit (oder die daraus abgeleitete Kohärenzlänge) ist ein wichtiges Maß für physikalische Lichtquellen.

Doppelspaltversuch

Ein bekanntes Experiment, das die Wirkung der Interferenz verdeutlicht, ist der Doppelspaltversuch (Thomas Young, 1802). Dabei wird in einen Elektronen- oder Lichtstrahl eine Blende aus zwei schmalen (Größenordnung einer Wellenlänge) Spalten aufgestellt. Dahinter befindet sich ein Detektor bzw. ein Schirm, auf dem die Elektronen oder Photonen nachgewiesen werden. Ist ein Spalt verdeckt, so zeigt sich bei Beleuchtung wie erwartet ein heller Streifen auf dem Schirm. Gibt man beide Spalte frei, so entstehen nicht nur zwei Lichtstreifen, sondern mehrere. Die Streifenabstände verhalten sich umgekehrt proportional zum Abstand der Spalte. Interferenz und Beugung führen dazu, dass sich die Wellen des Lichts wie oben beschrieben überlagern und somit eine Anordnung von hellen und dunklen Streifen bilden. Auf das Doppelspaltexperiment wird weiter unten nochmals im Abschnitt über Interferenz in der Quantenmechanik eingegangen.

Interferometer

In der Messtechnik werden Interferometer eingesetzt. Diese nutzen Interferenzerscheinungen zur Messung von Längen oder Phasenverschiebungen mit sehr hoher Auflösung. Dazu wird ein (Licht-)Strahl in zwei kohärente Teile aufgespaltet, die später wieder überlagert werden. Die beiden Strahlen legen dabei unterschiedliche Strecken s1 und s2 zurück. Unterscheiden diese sich um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge, so erhält man am Ausgang des Interferometers konstruktive Interferenz. Unterscheiden sie sich um eine halbe Wellenlänge (Phasenverschiebung von 180°), so erhält man destruktive Interferenz. Stellt man nun das Interferometer zunächst auf konstruktive Interferenz ein und führt dann eine zusätzliche Phasenverschiebung Δφ in einem der beiden Arme ein, so kann man diese über die Intensität am Ausgang des Interferometers bestimmen.

Es gibt verschiedene Umsetzungen dieses Prinzipes: Mach-Zehnder-Interferometer, Michelson-Interferometer, Sagnac-Interferometer usw.

Beugung und Auflösungsvermögen optischer Geräte

  Bei der Beugung von Wellen an einem Spalt trifft eine Wellenfront auf einen Spalt. Nach dem Huygensschen Prinzip gehen nun von allen Punkten entlang dem Spalt neue Kugelwellen aus, die dahinter interferieren. Dadurch bildet sich das typische Beugungsmuster eines Einfachspaltes (siehe Abbildung rechts). Dabei ist das Beugungsmuster um so schmaler, je breiter der Spalt und je kleiner die Wellenlänge ist.

Jedes optische Gerät beinhaltet eine Eintrittsöffnung (z. B. Öffnung bzw. erste Linse eines Objektives oder Hauptspiegel eines Teleskopes). Diese kann als Spalt modelliert werden und ihr Beugungsbild begrenzt die Auflösung des Gerätes. Diese Begrenzung beruht darauf, dass jedes optische Gerät in irgendeiner Weise ein Bild dieses Eintrittsspaltes erzeugt, das durch die Breite des Beugungsmusters gegeben ist.

Interferenzfarben

  An dünnen Schichten optisch transparenter Materialien beobachtet man Interferenzfarben. Sie entstehen durch Überlagerung der Strahlen, die an der Oberfläche der Schicht und an der unteren Grenzfläche reflektiert werden.

Im Bild rechts wird Strahl 2 an der Oberfläche zurückgeworfen, Strahl 1 erst nach Passieren der blau dargestellten dünnen Schicht. Er legt einen um die Strecke Δ = X0Y längeren Weg zurück. Ist Δ ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge λ, d. h.

Δ = (2n + 1) · λ/2 für n = 0, 1, 2, ...

löschen sich die Strahlen 1 und 2 aus. Es gelten genau die Gesetzmäßigkeiten wie für Interferenz am Doppelspalt, nur gerade anders herum, da bei der Reflexion von Strahl 1 am allgemein optisch dichteren Medium eine Phasenverschiebung einer halben Wellenlänge im reflektierten Strahl auftritt. Strahl 2 wird an der unteren Grenzfläche am optisch dünneren Medium reflektiert, so dass hier kein Phasensprung auftritt. Im Bildbeispiel ist es blaues Licht, das destruktiv interferiert. Das Licht anderer Wellenlängen bleibt erhalten. Strahlt man weißes Licht ein, wird es ohne Blauanteil reflektiert. Man sieht gelbes Licht, die Komplementärfarbe zu Blau.

Beispiele für das Auftreten von Interferenzfarben nennt der Artikel Newtonsche Ringe.

Weißlichtinterferenz

Die Überlagerung kontinuierlich variierender Wellenlänge und Amplitude (Spektrum) erzeugt ein Interferenzmuster nur innerhalb der Kohärenzlänge. In der Weißlichtinterferometrie wird dieses Verhalten ausgenutzt um eine eindeutige Längenmessung zu erhalten. Ein weiteres Anwendungsbeispiel findet sich in der Optische Kohärenztomografie, die dadurch dreidimensionale Strukturen erfassen kann.

Laser-Speckle

  Laser sind Lichtquellen mit sehr hoher Kohärenz (großer Kohärenzlänge, typischerweise einige Meter, bis zu wenigen hundert Metern). Dieses führt dazu, dass Laserlicht auch nach der Reflexion an diffusen Oberflächen noch interferenzfähig ist. Dieses erklärt das stabile Punktemuster, das man bei der Reflexion eines Laserstrahles z. B. an einem Blatt Papier beobachtet. Die Voraussetzung für das Auftreten von Speckle-Mustern ist, dass die Oberfläche Rauheiten in der Größenordnung der Wellenlänge des Laser-Lichtes aufweist (bei sichtbarem Licht: einige 100 nm).

Antischall

In der Akustik wird Interferenz zur Reduktion von störenden Geräuschen ausgenutzt, siehe Antischall. Dieses Prinzip kommt z. B. in Kopfhörern für Flugzeugpiloten zum Einsatz, um den Maschinenlärm lokal zu dämpfen[2].

Mathematische Darstellung

Eine Welle wird üblicherweise durch eine Funktion von Ort x und Zeit t geschrieben f(\mathbf{x}, t). Dieses bringt zum Ausdruck, dass sich eine Welle sowohl im Raum, als auch in der Zeit ausbreitet. Überlagern sich nun mehrere Wellen f_i(\mathbf{x}, t) an einem Ort x0, so lässt sich das Wellenfeld dort als Superposition (Summe) der einzelnen Wellen darstellen:

f_\mathrm{gesamt}(\mathbf{x_0},t)=\sum\limits_{i}f_i(\mathbf{x_0}, t) \,

Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude aber unterschiedlicher Phase

Die Überlagerung zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude lässt sich anhand der trigonometrischen Additionstheoreme berechnen. Werden die beiden Wellen f1(t) und f2(t) mit der gemeinsamen Frequenz ω, der Amplitude a und den Phasen \varphi_1 und \varphi_2 durch

f_1(t) = a \cdot \sin(\omega \cdot t + \varphi_1) und f_2(t) = a \cdot \sin(\omega \cdot t + \varphi_2) \,

beschrieben, so ergibt sich für die resultierende Überlagerung der Wellen

f_1(t) + f_2(t) = a \left( \sin(\omega t + \varphi_1) + \sin(\omega t + \varphi_2) \right) = 2a \cos\left(\frac{\varphi_1 - \varphi_2}{2}\right) \sin\left(\omega t + \frac{\varphi_1 + \varphi_2}{2}\right), \,

d. h. es entsteht eine Welle derselben Frequenz, deren Amplitude von der Differenz der Phasen der beiden ursprünglichen Wellen abhängt und deren Phase das Mittel der Phasen der ursprünglichen Wellen ist. Für gleiche Phasen der Wellen (\varphi_1 = \varphi_2) wird der Cosinus Eins. Es ergibt sich eine Amplitude von 2a, d. h. die Amplitude verdoppelt sich gegenüber den Ausgangsamplituden, was konstruktiver Interferenz entspricht. Für eine Phasendifferenz von 180°,(\varphi_1 = \varphi_2 + \pi) wird der Cosinus Null, d. h. die resultierende Welle verschwindet. Dieses entspricht destruktiver Interferenz.

Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Amplitude und Phase

Für gleiche Frequenz der Wellen, aber unterschiedliche Amplituden und Phasen lässt sich die resultierende Welle mittels Zeigerarithmetik berechnen. Die beiden Wellen g1(t) und g2(t) besitzen die gemeinsamen Frequenz ω, die Amplituden a1 und a2 und die Phasen \varphi_1 und \varphi_2

g_1(t) = a_1 \cdot \sin(\omega t + \varphi_1) und g_2(t) = a_2 \cdot \sin(\omega t + \varphi_2) \,

Die resultierende Überlagerung der Wellen hat die Form

g_1(t) + g_2(t) = A \cdot \sin(\omega t + \varphi) \,

mit der Amplitude

A = \sqrt{a_1^2 + a_2^2 + 2a_1 a_2 \cos(\varphi_1 - \varphi_2) } \,

und der Phase \varphi

\tan \varphi = \frac{a_1 \sin(\varphi_1) + a_2 \sin(\varphi_2)}{a_1 \cos(\varphi_1) + a_2 \cos(\varphi_2)} \,.

Überlagerung von Kreiswellen

  Die Abbildung links zeigt die Interferenz von zwei kreisförmigen Wellengruppen gleicher Wellenlänge und Amplitude. Die Kreuze markieren die Lage der Quellen, die Kreise die Maxima der jeweiligen Teilwelle. An weißen Stellen tritt konstruktive Interferenz, in positiver Richtung, an schwarzen konstruktive Interferenz, in negativer Richtung, auf. An den grauen Stellen herrscht destruktive Interferenz. Es ist zu erkennen, dass die Minima auf einer Hyperbel-Schar liegen, deren Brennpunkte identisch den Quellorten der Wellen sind. Man spricht deshalb bei zwei Punktquellen von einer hyperbolischen Interferenz. Die Hyperbel ist dabei die Kurve aller Punkte, die zu den zwei Quellorten die Laufzeitdifferenz t = λ/2 haben. Der Scheitelpunktabstand 2a entspricht der Laufzeitdifferenz 2a = (T1T2)v, wenn T1 und T2 den Zeitbezug der beiden speisenden Zeitfunktionen darstellen und v die mediale Ausbreitungsgeschwindigkeit darstellt.

Interferenz in der Quantenmechanik

Anschauliche Erklärung

 

 

In der Quantenmechanik spielen Interferenzphänomene eine entscheidende Rolle. Hier werden Teilchen (und allgemeiner beliebige Zustände eines Systems) durch Wellenfunktionen beschrieben. Diese sind die Lösungen der Schrödingergleichung, die eine Form, ähnlich einer Wellengleichung annehmen kann. Damit können sich Teilchen, also Materie, in der Quantenmechanik wie Wellen verhalten und auch interferieren (siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus, Materiewellen). Ein bekanntes Beispiel ist etwa die Interferenz von Elektronen in einem Doppelspaltexperiment[3] (siehe auch die Bilder rechts) oder die Interferenz zweier Bose-Einstein-Kondensate. Der Arbeitsgruppe von Anton Zeilinger ist es gelungen ein Interferenzmuster von Fullerenen (ballförmige Moleküle aus 60 Kohlenstoff-Atomen) zu beobachten. Dieses sind die schwersten Teilchen, für die je eine Interferenzerscheinung beobachtet werden konnte[4].

Mathematische Fassung

In der Bra-Ket-Notation lässt sich ein beliebiger quantenmechanischer Zustand in einer orthonormierten Basis \{|i\rangle\} (\langle i|j\rangle=\delta_{ij}) darstellen. Dabei sind die c_i,b_i\in\mathbb{C} komplexe Koeffizienten:

|\psi\rangle=\sum\limits_ic_i\cdot|i\rangle,\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ |\phi\rangle=\sum\limits_ib_i\cdot|i\rangle

Für die Wahrscheinlichkeit, dass ein System im Zustand |\psi\rangle im Zustand |\phi\rangle gemessen wird lautet dann:

\mathcal{P}(\psi\rightarrow\phi)=|\langle\psi|\phi\rangle|^2=\left|\sum\limits_{i}c_i^\ast b_i\right|^2 =\sum\limits_{i,j}c_i^\ast c_jb_i^\ast b_j=\sum\limits_i|c_i|^2|b_i|^2+\sum\limits_{i\neq j}c_i^\ast c_jb_i^\ast b_j

Wichtig ist hier, dass nicht die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Teilchen \rho(x)=|\langle x|\psi\rangle|^2 überlagert werden, sondern die (komplexen) Wellenfunktionen selbst. Würden die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten überlagert, so würde man in obiger Formel den hinteren Interferenzanteil verlieren und das Interferenzmuster verschwindet.

De Broglie postulierte bereits Anfang des Jahrhunderts, dass allen massiven Teilchen eine Wellenlänge λ = h / p zugeschrieben werden kann, wobei p der Impuls des Teilchens ist und h das Plancksche Wirkungsquantum. Mit dieser Wellenlänge kann man direkt die Wellenfunktion f(\vec x,t) für ein Teilchen konstruieren und so die Interferenzmuster mit den weiter oben für Licht beschriebenen Methoden berechnen.

  1. Concise Oxford Dictionary, ISBN 0-198-61200-1
  2. Katja Bammel: Schall gegen Schall - aktive Lärmunterdrückung, Physik Journal Februar 2007, S.42-43
  3. A Tonomura, J Endo, T Matsuda, T Kawasaki and H Ezawa: Demonstration of single-electron build-up of an interference pattern, American Journal of Physics 57(1989), 117-120.
  4. Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Voss-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw und Anton Zeilinger: Wave–particle duality of C60 molecules, Nature 401 (1999), 680-682, [1]

Literatur

  • Cohen-Tannoudji, Claude / Diu, Bernard / Laloë, Franck (1999): Quantenmechanik 1 & 2, 2. Auflage, Berlin - New York: Walter de Gruyter, ISBN 3-110-16458-2
 
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