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Poisson-Fleck

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Poisson-Fleck
Versuchsaufbau Poisson-Fleck

Titelbild: Versuchsaufbau des Poisson-Fleck-Experimentes

Kurzbeschreibung
Ein Experiment zur Wellennatur des Lichts
Kategorien
Optik, Interferenz
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 11/12,
Leitthema Licht - physikalisch gesehen
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus niedrig
Informationen
Name: Richard Bloch
Kontakt: \text{rbloch}@\text{physik.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
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Der Poisson-Fleck ist ein Lichtfleck, der sichtbar wird, wenn man kohärentes Licht auf ein rundes Objekt wirft. Im Schatten dieses Objekts zeigt sich in der Mitte ein heller Fleck, den man Aragos Fleck oder Poisson-Fleck nennt. Dieses Phänomen lässt sich nicht mit einem Teilchenbild des Lichts erklären und widerspricht diesem. Dementsprechend war dieser Versuch auch historisch ein Meilenstein in der Entdeckung der Wellennatur des Lichts.

Didaktischer Teil

Der Versuch „Poisson-Fleck“ ist ein Versuch für fortgeschrittene Schüler, die mit der Materie der Optik bereits vertraut sind. Dementsprechend eignet sich dieser Versuch nicht zur Klärung von Schülervorstellungen, die am Anfang des Bereichs Optik auftreten, etwa zur Ausbreitung des Lichts. Hier haben die Schüler i. d. R. kein Teilchen- oder Wellenbild von Licht. Stattdessen wird Licht identifiziert mit dem Zustand „Es ist hell“ oder als eine Substanz gedacht, die einen hellen Raum erfüllt [1]. Vielmehr eignet sich der Versuch zum Einsatz in der Sekundarstufe II da hier unter dem "Leitthema Licht - physikalisch gesehen" die Wellennatur des Lichts bereits als Einstieg in das Thema genutzt wird. Laut Lichterfeld und Fischler haben bereits 83 % ein Wellen- oder dualistisches Bild von Licht und nur 7,3% ein reines Teilchenbild[2]. Dieser Versuch eignet sich hiermit zur Berichtigung von der Schülervorstellung von Licht als Teilchenstrom, indem man überlegt, welcher Ort eines Schattens am dunkelsten ist. Im Teilchenbild wäre intuitiv zu erwarten, dass die Mitte des Schattens am dunkelsten ist. Im Vergleich mit dem Experiment bemerkt man jedoch, dass die Mitte des Schattens heller ist als die umliegenden Regionen. Diese Diskrepanz zwischen Vorhersage des Teilchenbildes und Beobachtung im Experiment konfrontiert die Schülerinnen und Schüler mit den Unzulänglichkeiten des Teilchenmodells. Dieser Zweifel kann als Motivation für die Einführung des Wellenbildes von Licht genutzt werden. Somit eignet sich dieser Versuch, um diese letzten Zweifel an einer (teilweisen) Wellennatur des Lichts zu beseitigen. Damit einhergehend sollte jedoch auch ein Versuch zum Teilchenbild des Lichts zumindest erwähnt werden, damit nicht ein reines Wellenbild des Lichts aufgebaut wird. Dafür eignet sich z. B. der Versuch zum photoelektrischen Effekt.

Versuchsaufbau

Für den Aufbau des Versuchs „Poisson-Fleck“ werden folgende Materialien benötigt:

  • optische Bank
  • Laser
  • bikonkave Linse(n)
  • eine runde Styroporkugel
  • Stativ
  • Büroklammer
  • Schirm

Dabei ist es nur wichtig, einen Laser zu haben, um Licht von einer genügend großen Kohärenzlänge zu erhalten. Andere Parameter wie Wellenlänge, etc. sind für die Physik des Versuchs unwichtig. Man sollte höchstens bedenken, dass z. B. blaues Licht vom Auge nur sehr schwer aufgelöst werden kann und somit der bereits schwache Fleck noch schwerer zu erkennen wird. Anstatt der Styroporkugel können Kugeln aus jeder Art von Material verwendet werden. Styroporkugeln eignen sich jedoch, da sie günstig sind und einfach auf einer Büroklammer zu befestigen sind. Die hier verwendete Kugel hat einen Durchmesser von etwa einem Zentimeter. Größere Kugeln lassen sich ebenfalls benutzen, dabei muss der Laser aber noch stärker aufgeweitet werden, was die Intensität des Lasers pro Fläche senkt und somit den Fleck ebenfalls dunkler erscheinen lässt. Dies lässt sich durch einen stärkeren Laser kompensieren. Auf die optische Bank montiere man den Laser und davor eine oder zwei bikonkave Linsen, um den Strahl aufzuweiten. Je nach Entfernung zum Schirm und Größe der Kugel kann man die Anzahl und Stärke der Linsen variieren. Wichtig ist dabei, dass der Laserstrahl auf Höhe der Kugel breiter ist als die Kugel, damit die gesamte Kugel in Licht eingetaucht wird.

Die Kugel wird auf eine aufgebogene Büroklammer gesteckt und diese dann mit einem Stativ so angebracht, dass sie auf Höhe des Laserstrahls ist. Auf der optischen Bank montiert man den Laser und davor eine oder zwei bikonkave Linsen. Die Stärke bzw. Anzahl der Linsen ist hierbei nur insofern wichtig, als sie den Strahl wie oben beschrieben genügend aufweiten. Je nach Verfügbarkeit vor Ort kann man mehrere schwache oder wenige starke Linsen benutzen. Zuletzt richtet man die optische Bank mit Laser und Linsen so aus, dass die Kugel komplett beleuchtet wird und das Licht auf den Schirm fällt.

Beobachtung

Auf dem Schirm ist nun das Laserlicht zu sehen mit dem Schatten der Kugel. Betrachtet man den Schatten der Kugel genau, erkennt man, dass die Mitte des Schattens deutlich heller ist als die Gegenden des Schattens, die etwas näher am Rand liegen.

Interpretation des Experiments

Im Teilchenbild des Lichts würde man erwarten, dass der dunkelste Punkt eines Schattens sein Mittelpunkt ist. Bei diesem Experiment kann man jedoch beobachten, dass die dunkelste Region nicht der Mittelpunkt ist, sonder vielmehr ein Ring zwischen Mittelpunkt und Rand des Schattens. Um dies physikalisch zu erklären, muss man annehmen, dass Licht Wellencharakter besitzt. Analog zu Wasserwellen breiten sich die Lichtwellen auch hinter dem Hindernis Kugel aus und interferieren konstruktiv im Mittelpunkt des Schattens, da dieser den gleichen Abstand zu jedem Punkt des Randes der Kugel hat. Um zu verstehen, warum dieser Abstand wichtig ist, hilft es, sich an das Huygenssche Prinzip zu erinnern: von jedem Punkt einer Wellenfront geht eine Elementarwelle aus, insbesondere also auch von jedem Randpunkt der Kugel. Da die gelaufene Strecke vom Rand bis zur Mitte des Schattens die gleiche ist, interferieren die Elementarwellen hier konstruktiv und ein heller Fleck erscheint.

Geschichte des Versuchs

Um die Natur des Lichts zu klären, schrieb die französische Akademie der Wissenschaften 1818 einen Wettbewerb aus, um eine theoretische Beschreibung des Lichts zu finden. Augustin-Jean Fresnel reichte eine Abhandlung ein, die Licht auf Grundlage des Wellenmodells beschrieb. Die Preisrichter, darunter Siméon Denis Poisson, konnten dieser Theorie keinen Glauben schenken und versuchten dies mit einem Gedankenexperiment zu beweisen: Scheint man Licht auf ein Objekt, sollte sich im Mittelpunkt des Schattens ein heller Fleck finden. Dies erschien Poisson so abwegig, dass er die Arbeit ablehnen wollte. Daraufhin versuchte ein weiterer Preisrichter, François Arago, das Experiment so gut wie möglich durchzuführen, wobei er den hellen Fleck beobachtete. Aus diesem Grund wird der Poisson-Fleck im Englischen “Arago spot” genannt. Fresnel gewann dementsprechend den Wettbewerb der französischen Akademie der Wissenschaften. Die Geschichte des Experiments ist somit analog zu der erhofften Wirkung bei den Schülerinnen und Schülern. Ausgehend von einem Teilchenbild des Lichts wird man mit einer Beobachtung konfrontiert, die nicht mit diesem Modell erklärbar ist.

Sicherheitshinweise

Der Arbeitsplatz sollte mit einem Laser-Warnschild beschildert werden

Da man bei diesem Experiment mit einem Laser arbeitet, muss darauf geachtet werden, dass alle Bestimmungen aus dem Datenblatt zum Umgang mit Lasern umgesetzt werden. Der Strahlengang des Lasers sollte weg von den Schülern zeigen oder parallel zu ihnen ausgerichtet sein.

Literatur

  1. Rainer Müller, Rita Wodzinski, Martin Hopf: Schülervorstellungen in der Physik, Aulis Verlag, S. 155
  2. ebd., S. 248