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Das Thema verstehen

Youngs Doppelspaltexperiment zeigt, dass Licht Interferenzmuster erzeugt, wenn es durch zwei nahe beieinanderliegende Spalten fällt. Hell und dunkel abwechselnde Streifen belegen das Wellenmodell des Lichts, da sich Wellen überlagern können. Thomas Young führte das Experiment um 1801/1802 durch und stärkte damit die Wellentheorie gegenüber der korpuskularen Auffassung Newtons. Später zeigte der Versuch mit einzelnen Photonen und Elektronen, dass auch Materie Welleneigenschaften besitzt – ein Grundpfeiler der Quantenphysik.

Warum das Experiment das Wellenmodell stützte
Um 1800 standen zwei Lichtmodelle im Wettstreit: Newtons Korpuskeltheorie und die Wellentheorie, die unter anderem von Christiaan Huygens vertreten worden war. Young zeigte, dass Licht hinter zwei Spalten ein Muster aus hellen und dunklen Streifen bildet. Teilchen, die geradlinig fliegen, könnten ein solches Auslöschmuster kaum erklären, denn dunkle Streifen bedeuten, dass dort kein Licht ankommt, obwohl Licht aus beiden Spalten kommen könnte. Nur Wellen können sich gegenseitig auslöschen. Später festigte Augustin Fresnel die Wellenoptik mathematisch, und die Entdeckung elektromagnetischer Wellen durch Maxwell gab dem Modell eine physikalische Grundlage.

Mechanismus der Interferenz im Detail
Entscheidend ist der Gangunterschied: Der Weg von den beiden Spalten zum Schirm unterscheidet sich je nach Beobachtungspunkt um einen Betrag Δs. Beträgt dieser Unterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge, treffen Wellenberge auf Wellenberge – es entsteht ein helles Maximum. Bei einem Unterschied von ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge trifft Berg auf Tal, und das Licht löscht sich aus. Voraussetzung ist Kohärenz: Beide Teilwellen müssen eine feste Phasenbeziehung haben. Young erreichte dies, indem er Licht zunächst durch einen einzelnen Spalt fallen ließ, der dann beide Doppelspalte beleuchtete.

Vom Lichtquant zum Materiewelle-Dualismus
Im 20. Jahrhundert wurde das Experiment zur Brücke zwischen Optik und Quantenphysik. Führt man es mit so schwachem Licht durch, dass Photonen einzeln den Schirm erreichen, baut sich das Interferenzmuster nach und nach aus einzelnen Treffern auf – jedes Photon verhält sich wie ein Welle, die durch beide Spalten geht. Analog zeigen Elektronenstrahlen Interferenzstreifen, was Louis de Broglies Idee der Materiewellen bestätigte. Wird jedoch gemessen, durch welchen Spalt das Teilchen ging, verschwindet das Muster: Die Weginformation zerstört die Kohärenz. Dieses Verhalten illustriert den Welle-Teilchen-Dualismus.

Fragen zur Wiederholung

Warum entstehen dunkle Streifen auf dem Schirm?

An diesen Punkten ist der Gangunterschied zwischen den beiden Teilwellen ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge. Wellenberg trifft dort auf Wellental, die Amplituden heben sich auf – destruktive Interferenz. Das ist nur mit Wellen erklärbar, nicht mit klassischen Teilchen, die sich gegenseitig nicht auslöschen können.

Wie ändert sich der Streifenabstand, wenn man die Wellenlänge oder den Spaltabstand vergrößert?

Der Streifenabstand wächst proportional zur Wellenlänge: Rotes Licht liefert ein weiter auseinanderliegendes Muster als blaues. Vergrößert man dagegen den Abstand d zwischen den Spalten, rücken die Streifen enger zusammen, weil sich der Gangunterschied pro Winkel schneller ändert. Auch ein größerer Schirmabstand vergrößert das Muster linear.

Was passiert, wenn man beim Versuch mit einzelnen Photonen misst, welchen Weg sie nehmen?

Sobald am Spalt eine Weginformation ausgelesen wird, geht die feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilwellen verloren. Das Interferenzmuster verschwindet, und auf dem Schirm erscheint nur die Summe zweier einfacher Beugungsmuster. Das Photon verhält sich dann wie ein klassisches Teilchen mit definiertem Pfad – ein zentrales Beispiel für den Welle-Teilchen-Dualismus.