Die seltsamen Sterne des JWST, II: Was ist überhaupt Beugung?

 Wir kommen nun zur Beugung:

Sowohl bei der Brechung als auch  bei der Beugung verlässt  das Licht den  geraden Weg eines Lichtstrahles.

Bei der Brechung passiert dies, weil in einem anderen Medium Wege und Wirkungen optimiert werden bzw. ein Teil des Lichtbündels beim Übergang zuerst abgebremst wird.

Bei der Beugung dringt Licht nicht in ein anderes Medium ein, aber kleine Objekte stehen ihm im Weg bzw. die Lichtausbreitung wird durch eine Öffnung (wie beim Fernrohr) eingeschränkt. 

An den Begrenzungen senden die Atome eigene, kugelförmige, Lichtwellen aus.

Diese Wellen, Huygens hat das etwas komplizierter als Elementarwelle konstruiert, dringen dann auch in Bereiche ein, die eigentlich als Schattenbereiche dunkel bleiben sollten.

Das nennt man Beugung.

Ganz oft überlagern sich dann auch viele dieser Wellen, es tritt Interferenz auf, also ein Beugungs- und Interferenzmuster aus hellen und dunklen Bereichen.

Beugung ist eine wirklich typische Wellenerscheinung. Beugung tritt also auch auf bei den Wahrscheinlichkeitswellen der Quantenmechanik, bei Schallwellen, Wasserwellen, Erdbebenwellen und natürlich Licht und Radiowellen.

Kurzwelliges Licht wird zwar stärker gebrochen, aber weniger stark gebeugt. Je kurzwelliger eine Strahlung ist, desto schwieriger ist es sie durch Beugung  "vom Weg abzubringen".

Bei der extrem kurzwelligen Röntgenstrahlung hat es sogar Jahre gebraucht um ihre Welleneigenschaften durch Beugung zu entdecken. Lange Wellenlängen dagegen können bevorzugt in Schattenräume eindringen.

Dazu gibt es zwei Beispiele:

Wenn eine Musikkapelle bei einer Kirmes hinter einer Straßenecke spielt, hört man zuerst die tiefen, langwelligen Töne "um die Ecke kommen". Das Piepsen der Flöten hört man erst, wenn man die Spieler/innen auch sieht...

Wenn bei einem Mondhof das Mondlicht an feinen Wassertröpfchen der Erdatmosphäre gebeugt wird, führt das dazu, dass der innere Teil des Hofes aus wenig gebeugtem blauen Licht und der äußere Bereich aus stärker gebeugtem roten Licht besteht.

Kommen wir nun zu den Fernrohren:

Sowohl das Hubble Space Teleskop HST  als auch das James Webb Space Teleskop JWST haben eine Spiegelumrandung, an denen das Lichtgebeugt wird. Dann sind die Verstrebungen der Sekundärspiegel im Strahlengang und dienen ebenfalls als Beugungshindernisse.

Man  kann schon die unterschiedlichen Beugungsfiguren mit den mechanischen Aufbauten der Teleskope in Verbindung bringen.

Mehr darüber im nächsten Post.

Bild 1: Beugung vom Mondlicht (Hof) an Wassertropfen

Bild 2: Beugung und Interferenz an einem Hindernis (Simulation, LEIFIphysik)

Bild 3: Beugungsmuster HST und JWST (NASA/ESA)