P 9: Aufbau des Michelson-Morley-Interferometers

 1.5 Der Äther und das Michelson-Morley-Experiment, Teil  2   

  Wir wollen erst einmal die moderne Version mit Laser beschreiben.

Wir werden später noch lernen, dass Laserlicht aus zusammenhängenden Wellen besteht ("kohärent" ist), mit denen man sehr einfach Interferenzversuche machen kann.     

 

Aufbau:

Der Laserstrahl wird an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt. Beide Teilstrahlen laufen auf getrennten Wegen zu zwei festen Spiegeln.(Treten zusätzliche Gangunterschiede, z.B. durch Reflexion  und Durchlaufen des halbdurchlässigen Spiegels ein, so kompensiert man das oft mit einer zusätzlichen Glasplatte in einem Strahl, das soll uns hier auch nicht interessieren, wir teilen einfach die eine Welle in zwei auf...).

An den festen Spiegeln werden die Teilwellen in sich reflektiert, laufen zurück und treffen wieder (dieses Mal von rechts und von oben im Bild) auf den halbdurchlässigen Spiegel.

Erneut werden beide Teilwellen aufgeteilt, jetzt auf dem Rückweg...

Nehmen wir den grün gezeichneten Weg: Ein Teil der rücklaufenden Welle geht geradeaus weiter, zurück in den Laser (den stört das nicht), ein anderer Teil wird nach unten abgelenkt.

Nach unten geht auch ein Teil der vom oberen Spiegel zurücklaufenden Teilwelle, der zweite Teil wird ebenfalls in den Laser gelenkt.

Nach unten (aber auch Richtung Laser) laufen also zwei Wellen aufeinander in die gleiche Richtung.

Da gibt es Interferenz, d.h. die beiden Wellen überlagern sich.

 

Hinweis: Wer sich damit noch nicht/nicht mehr auskennt, also auch mit dem Begriff Gangunterschied wenig anfangen kann, der/die sollte auf den Zusatzseiten die Seite über "Interferenz" anklicken. Und dann erst hier weiterlesen...

Michigan State University

 Sind die beiden Wege gleich lang, so verstärken sich die beiden Wellen, es gibt ein Interferenzmaximum.

Unterscheiden sich die Wege um eine halbe Wellenlänge  (Achtung: Dann ist ein Spiegel um λ/4 weiter oder näher am halbdurchlässigen Spiegel...warum hier  λ/4 und vorher reden wir von λ/2??), so gibt es ein Interferenzminimum, die beiden Strahlen löschen sich aus.

Wenn man also mit einer Mikrometerschraube einen Spiegelabstand verstellt, entstehen abwechselnd Maxima und Minima auf dem Schirm (unten). In dne Videos kann man das sehr schön sehen.

Man sollte nicht vergessen, dass man hier Abstände um einige hundert Nanometer ändert....deshalb sollte jede/r im Unterricht mal selbst an der Schraube drehen...

Idealfall: Kreise

Auf dem Schirm sieht man, wenn das Interferometer richtig justiert ist, mehrere konzentrische Kreise.

IQO, Uni Hannover

 

Das liegt daran, dass oft der Laserstrahl durch eine Zerstreuungslinse aufgeweitet wird. Die etwas schräg nach Außen laufenden Strahlen erzeugen einen etwas größeren Gangunterschied, deswegen entstehen nach Außen auch abwechselnd Maxima und Minima.

Dies wird durch das folgende Bild noch einmal veranschaulicht: Je weiter außen man vom Zentrum des Strahls entfernt ist, desto größer ist der Gangunterschied und deshalb entstehen abwechselnd Maxima und Minima  (wie beim Doppelspalt).

 Hier habe ich angenommen, dass die Arme gleich lang sind, deswegen Gangunterschied 0 in der Mitte.

Hier können die Arme nicht gleichlang sein, da in der Mitte der Gangunterschied Δ x = 1/2 λ auftritt  (oder 3/2 oder 5/2....)

Streifen sind auch nicht schlecht...

Und wenn man schlecht justiert hat, ist man so weit außen bei den Kreisen, dass man die Krümmungen nicht mehr erkennt, sondern nur Streifen...Das war bei Michelson und Morley der Fall (und ist es oft auch bei den Schulversuchen).

Mehr wollen wir erst einmal nicht erklären...Wir werden noch posten was Michelson und Morley (ab jetzt: MM) gemacht haben und auch das Ganze mal durchrechnen...ist schließlich ja ein LK und auch eine gute Übung für ähnliche Rechnungen im Abi).

Filme:

Ich würde aber jetzt die Filme (alles unter 3 Minuten) ansehen, die alles noch mal für sich erklären:

In diesem Video wird ganz grundlegend erst einmal Interferenz von Wellen erklärt und dann sieht  man in einerAnimation auch die Lichtwellen im Interferometer. 

Nochmal Interferenz im Interferometer als Animation:

Hier sieht man sehr schön, wie die Ringe sich verändern, wenn man einen Spiegelabstand durch Drehen an der Mikrometerschraube verändert.

Das letzte Video (ich hoffe ich konnte euch das schom im Unterricht zeigen) hab ich vor Jahren mal selbst aufgenommen. 

Hier ein Blick auf unser Interferometer: 

 

Ich habe einen Spiegel so verkippt, dass das Interferometer total dejustiert war. Man sieht beide Strahlen getrennt.

Dann bringe ich die beiden Wellen durch Kippen eines der festen Spiegel so, dass sie aufeinander herlaufen. In diesem Moment tauchen Interferenzstreifen auf (natürlich schafft man es so einfach nicht die Symmetriestellungen zu treffen und Kreise zu bekommen).

 

Hier das Bild, wenn die beiden Strahlen nur teilweise aufeinander liegen. Nur im Überlappungsbereich tritt Interferenz auf. 

Und nun ist der eine Spiegel so gekippt worden, dass sich beide Strahlen vollständig überlagern.

Für mich ein immer wieder faszinierender Moment:

Zwei Lichtstrahlen treffen sich und fangen an zu interferieren...

Es sind wirklich Wellen! Nichts  anderes in diesem Universum kann so etwas...

 Und nun schaut euch das auf dem (älteren) Video an: