7. Interferenz

Thomas Young (1773–1829), ein echtes Wunderkind, hatte mit zwei Jahren Lesen gelernt, mit vier die Bibel bereits zweimal durchgelesen und noch als Jugendlicher alle klassischen und noch ein halbes Dutzend orientalische Sprachen gelernt. Auf Betreiben seines vermögenden Großonkels, eines Londoner Augenarztes, studierte er Medizin, u. a. in Göttingen, wo er Lichtenbergs großartige Physikvorlesung hörte. Nach seiner Promotion übernahm er die Praxis seines Großonkels, interessierte sich aber mehr für das Auge und das Licht als für seine Patienten. Er entdeckte, wie die Adaption des Auges funktioniert, erkannte, was Astigmatismus ist und schuf die Grundlage der Theorie des Farbensehens, die dann 50 Jahre später von Helmholz vervollkommnet wurde (Abschn. 3.​3). Er tat auch den ersten Schritt zur Entzifferung der Hieroglyphen: Er kam auf die Idee, dass auf dem Stein von Rosette die besonders eingerahmten Zeichengruppen Königsnamen sind. Da dieser Stein den gleichen Text auch in griechischer Schrift enthält, konnte er durch Vergleich der Texte die ersten ägyptischen Schriftzeichen entziffern. – Mit seiner Wellentheorie erklärte Young eine ganze Reihe von Interferenzphänomenen, die wir im Folgenden besprechen werden, z. B. die Farben dünner Blättchen und die Newtonschen Ringe. Mit diesen bestimmte er auch als erster die Wellenlänge des Lichts und deren Abhängigkeit von der Farbe.

Die erste und historisch gesehen wichtigste Längenmessung mit einem Michelson-Interferometer war die Vermessung des Pariser Urmeters durch Michelson und Benoit. Das Ergebnis war \(1\,\mathrm{m}=(1\,553\,163{,}5\pm 0{,}1)\) mal die Wellenlänge der roten Linie im Cadmium-Spektrum. Damals (1895) gab es weder elektronische Zählung noch eine Lichtquelle, mit der ein 1 m langer kohärenter Wellenzug erzeugt werden konnte. Wie die damit verbundenen messtechnischen Probleme gemeistert wurden, findet man z. B. bei Max Born, „Optik“, S. 129 (Springer-Verlag, 1985). Auf dieser Messung und auf ihren späteren Wiederholungen beruhten die genauen Angaben von Lichtwellenlängen in Einheiten des metrischen Systems, die in der Folgezeit bei der Aufklärung der Atomstruktur eine entscheidende Rolle spielten.

Zur quantitativen Definition der zeitlichen Kohärenz einer quasimonochromatischen Welle berechnet man die normierte Autokorrelationsfunktion E(t) ist die komplexe Amplitude der Welle. Die zeitliche Mittelung erfolgt über eine lange Zeit \(T\gg\Updelta t_{\text{c}}\). Offenbar ist \(C(0)=1\). \(\Updelta t_{\text{c}}\) ist die Zeit, in der \(|C(t)|\) auf \(1/{\,{\mathrm{e}}}\) abgefallen ist. Es zeigt sich, dass \(|C|\) identisch ist mit der Größe V, die wir in (7.35) definieren werden.

Nach S. G. Lipson, H. S. Lipson und D. S. Tannhauser, „Optik“, Springer-Verlag (1997).

Die Formeln gelten auch, wenn die beiden Reflexionen am optisch dichteren Medium stattfinden. Dann addieren sich die Phasensprünge zu \(2\pi\). Bei metallischer Verspiegelung sind die Phasensprünge bei der Reflexion nicht einfach 0 oder π. Das bewirkt, dass (7.48) und (7.49) entsprechend modifiziert werden müssen. Das hat aber keine tiefgreifenden Folgen.

Die Hyperfeinstruktur (HFS) einer Spektrallinie entsteht, wenn der Atomkern ein magnetisches Dipolmoment oder ein elektrisches Quadrupolmoment besitzt, d. h. wenn der Kern magnetisch oder nicht kugelrund ist. Außerdem muss der Atomkern einen Drehimpuls (Kernspin) haben. Durch Messung der HFS konnten diese Kernmomente quantitativ bestimmt werden. Große Meister auf diesem Gebiet waren Hans Kopfermann (1895–1963), damals TH Berlin-Charlottenburg, und Hermann Schüler (1894–1964), am Astrophysikalischen Observatorium in Potsdam tätig. Bei der Interpretation der HFS-Spektren tat sich Schülers Assistent Theodor Schmidt (1908–1986)besonders hervor: Entdeckung des Kern-Quadrupolmoments, Entdeckung der „Schmidt-Linien“ in der Systematik der magnetischen Kernmomente. Nach dem Krieg wirkte Kopfermann als Physik-Professor in Göttingen und Heidelberg; er trug viel zum Wiederaufbau der Physik in Deutschland bei. Schüler war ab 1950 Leiter der Forschungsstelle für Spektroskopie der Max-Planck-Gesellschaft in Hechingen. Schmidt wurde von den Russen mit einem Raketen-Experten gleichen Namens verwechselt und in die Sowjet-Union verschleppt. Nach seiner Rückkehr (1953) erhielt er eine Anstellung, später eine ordentliche Professur an der Universität Freiburg/Breisgau.

Selbstverständlich ist eine solche Schicht nicht freitragend, sondern sie befindet sich auf einem Träger, z. B. einer Glasscheibe. Dann geht ein weiteres Medium in die Rechnung ein, eine Komplikation, von der wir aus Gründen der Vereinfachung absehen.