Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Gesetze der klassischen Physik aufhören zu gelten, eine Welt, in der Teilchen gleichzeitig an zwei Orten sein können und Wellen sich wie Teilchen verhalten – willkommen in der faszinierenden Welt der Quantenmechanik, enthüllt durch das legendäre Doppelspaltexperiment! Diese revolutionäre Untersuchung, einst ein Gedankenexperiment, das nun in eleganten Experimenten Gestalt annimmt, fordert unser Verständnis der Realität heraus und zwingt uns, die grundlegende Natur von Licht und Materie neu zu denken. Tauchen Sie ein in die Geschichte, von Newtons deterministischer Welt bis zu den bahnbrechenden Entdeckungen von Planck und anderen Pionieren, die den Weg für eine neue Ära der Physik ebneten. Entdecken Sie, wie das Doppelspaltexperiment mit Teilchen und Wellen die Grenzen unseres Wissens sprengte und zu einem Eckpfeiler der modernen Physik wurde. Erforschen Sie die Feinheiten des Experiments, von den subtilen Interferenzmustern der Wellen bis zum überraschenden Verhalten von Elektronen, die sich scheinbar den klassischen Gesetzen widersetzen. Erfahren Sie, wie alltägliche Technologien, von Computern bis zu CD-Playern, ohne die Prinzipien der Quantenmechanik undenkbar wären. Lassen Sie sich von Richard Feynmans genialen Erklärungen inspirieren und verfolgen Sie die Entwicklung des Experiments von den ersten Beobachtungen bis hin zu ausgefeilten Schulversuchen mit Elektronenbeugungsröhren. Bereiten Sie sich darauf vor, Ihre tiefsten Überzeugungen über die Beschaffenheit des Universums zu hinterfragen, während Sie die Geheimnisse des Doppelspaltexperiments und seine tiefgreifenden Auswirkungen auf unser Verständnis der Quantenwelt ergründen. Dieses Buch ist eine Reise in das Herz der Quantenmechanik, ein Abenteuer, das Ihr Verständnis der Realität für immer verändern wird. Entdecken Sie die verborgenen Wunder der Quantenphysik und erfahren Sie, wie dieses einfache Experiment unser Verständnis des Universums revolutioniert hat. Schlüsselwörter: Quantenmechanik, Doppelspaltexperiment, Wellen-Teilchen-Dualismus, Interferenz, Beugung, Physik, Licht, Elektronen, Newton, Planck, deterministische Welt, Wahrscheinlichkeitsverteilung, Huygenssches Prinzip, Elektronenbeugungsröhre, Quantenphysik, moderne Physik, wissenschaftliche Revolution, Realität, Universum, Experiment, Teilchenverhalten, Wellenverhalten, Interferenzmuster, Glühkathode, Anode, Fluoreszenzschicht, Hochspannungsnetzgerät, wissenschaftliche Erkenntnisse.
Das Doppelspaltexperiment in der Quantenmechanik
Einleitung
Jahrhunderte lang waren Naturwissenschaftler der Auffassung, ein System von Teilchen sei rein deterministisch, d.h. bei Wissen um seinen Ausgangszustand vollständig berechenbar. Diese klassische Mechanik, welche durch Newton begründet wurde, dominierte das physikalische Denken von Beginn des 18. Jahrhunderts bis Ende des 19. Jahrhun- derts. Was aber geschah zu dieser Zeit, dass diese Vorstellung ins Wanken geriet? Durch Newtons Autorität als Präsident der Royal Society wurde die Vorstellung von einer deterministischen Welt gefestigt und nur von wenigen angezweifelt. Newton war unter anderem der Ansicht, das Licht besitze eine korpuskulare Natur, es sei also ein Teilchen. Einige Experimente, so der Young’sche Doppelspaltversuch, welchen ich im weiteren näher untersuchen möchte, zeigten jedoch zur Überraschung der Naturwissenschaftler, dass Licht eine Wellennatur besitzt, da Licht in der Lage ist, mit anderem Licht auf die Art und Weise zu interferieren, wie es Wasserwellen für gewöhnlich tun. Wenig später wurden Experimente durchgeführt, die wiederum die Teilchennatur von Licht zeigten. Bei diesen Experimenten wird eine Kathode mit hochfrequentem Licht bestrahlt, so dass Elektronen aus der Kathode herausgestoßen werden und so auf eine Anode treffen: die Folge war messbarer Stromfluss (vgl. photoelektrischer Effekt) [1]. Da dies keine Welleneigenschaft ist, muss das Licht auch Teilchencharakter besitzen. Durch all diese neuen Erkenntnisse, und unter anderem auch mit Hilfe von Max Plancks Forschungsergebnissen bezüglich der Energie- quantisierung, wurden die Grundlagen der Quantenmechanik geschaffen. Die Quantenmechanik ist noch immer eines der modernsten
Gebiete der Physik, ohne welches die heutige Technologiestufe unserer Zivilisation kaum erreicht worden wäre. Für uns ganz alltägliche Dinge, beispielsweise Computer oder CD-Player, wären nie erfunden worden. In dieser Facharbeit will ich mich aber speziell auf das Young’sche Doppelspaltexperiment und die daraus resultierenden Erkenntnisse über Photonen und Elektronen beziehen.
Das Doppelspaltexperiment mit Teilchen[2]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das Doppelspaltexperiment mit Teilchen ist schnell beschrieben: als Beispiel greife ich auf die Idee Richard Feynmans zurück, welche er in seinen „Lectures on Physics“ zum Illustrieren verwendet hat: ein Maschinengewehr schießt kontinuierlich Geschosse mit einer groben, rein zufälligen Streuung auf den Doppelspalt. [3] Die
Geschosse, die durch die Barriere hindurchgelangen, werden von Detektorbüchsen aufgefangen und nach einer hinreichenden Anzahl an insgesamt abgeschossenen Projektilen (denn nur das gibt aussagekräftige Werte für Statistiken) ausgezählt. So ergibt sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreffen der Projektile in den einzelnen Detektorbüchsen. An den äußeren Rändern der Detektorreihe kommen statistisch gesehen weniger Geschosse an als in der Mitte, da die Mitte durch beide Spalte am günstigsten getroffen werden kann, die Ränder im Regelfall jedoch nur durch den ihnen am nächsten gelegenen Spalt getroffen werden. Zu vergleichen ist dieses Teilchenverhalten auch mit Billardkugeln, die von der Bande (hier der Spalt) abprallen und dabei ständig gerade Bahnen zurücklegen. Die Projektile des imaginären Maschinengewehrs können ebenso wie die Billardkugeln von den Innenkante der Spalte abprallen und so abgelenkt werden. Wegen des Winkels ist es nun wahrscheinlicher, dass das Projektil in Richtung der Mitte der Reihe mit Detektorbüchsen abgelenkt wird. Das Doppelspaltexperiment mit Teilchen ist also mit der klassischen Mechanik lückenlos zu erklären. Deshalb ist dieses Beispiel sehr geeignet, um die Eigenschaften eines deterministischen Systems zu beschreiben. Bei Wissen um den Abschusswinkel kann man den weiteren Verlauf des Teilchens voraussagen. Newtons Theorie gerät also hier noch nicht ins Wanken.
Das Doppelspaltexperiment mit Wellen [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Gegensatz zu dem Versuch mit Teilchen ist das Doppelspaltexperiment mit Wellen ungleich interessanter, da zum ersten Mal eine Interferenzerscheinung auftritt. Der Wellenerreger vor dem Damm erzeugt eine Kreiswelle im Wasser, die an den beiden Lücken in der Barriere wiederum
Kreiswellen erzeugt (vgl. Huygenssches Prinzip). Hinter der Doppelspaltbarriere sind dieses Mal keine Auffangbüchsen installiert, sondern Bojen, die auf der Wasseroberfläche schwimmen und so immer die jeweilige Wasserhöhe an einer Stelle angeben. Auf dem Weg von der Doppelspaltbarriere zu den Bojen haben die beiden Kreiswellen Gelegenheit miteinander zu interferieren. Dabei gilt aus der klassischen Mechanik: die Amplituden der Wellen addieren sich in jedem Punkt. So wird aus zwei Wellenbergen ein doppelt so hoher Wellenberg, bei zwei Wellentälern ein doppelt so tiefes Wellental. Ebenso gilt auch, dass sich Wellental und Wellenberg ausgleichen. Die Überlagerung der Wellen bildet also ein aus der klassischen Mechanik wohlbekanntes Interferenz- muster (siehe Abb. 5). [5])
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dieses erhält man, indem man die Bewegung der Bojen in einem Moment maximaler Amplitude „einfriert“ und frontal betrachtet. Wellental und Wellenberg wechseln einander ab, das Interferenz- muster ist typisch für Wasserwellen. Der Unterschied zwischen dem Versuch mit Teilchen und dem mit Wasserwellen ist also, dass es bei Teilchen zu keiner Interferenz kommen kann, da sie immer einzeln abgeschossen werden. Wellen jedoch können durchaus miteinander interferieren.
Das Doppelspaltexperiment im Schulexperiment Da kein Doppelspalt zur Verfügung steht, um die Beugung von Elektronen experimentell nachzuweisen, geschieht selbiges mit einer polykristallinen Graphitfolie als Beugungsgitter, also praktisch mit einem
„Vielspalt“.
Versuchsaufbau [6]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In einem luftleeren Glaskolben befinden sich die Hauptbestandteile der Elektronenbeugungsröhre: die Glühkathode als Elektronenquelle, die Anode mit Beugungsgitter als „Vielspalt“ und die auf die Innenseite des Glaskolbens aufgebrachte Fluoreszenzschicht. Als Heizspannung werden 6 Volt Gleichstrom verwendet, während man für die Anode Spannungen im Bereich von 5 kV und mehr benutzt, um den Elektronenstrahl verschieden stark beschleunigen zu können.
Experimente mit mehr als 5 kV sind praktisch möglich, vom Hersteller der Beugungsröhre aber ausdrücklich untersagt. Zur Überprüfung der Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgerätes schließt man noch ein Voltmeter an, das für diesen Spannungsbereich ausgelegt ist, um bei der Spannungsmessung einen wirklich exakten Wert zu bekommen.
[...]
[1] Tipler, Paul: Physik. 3. korrigierte Auflage. Übersetzt aus dem Englischen. Heidelberg 1994
[2] Hey, Tony: Das Quantenuniversum, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998
[3] Feynman, Richard: Lectures on Physics, Vol. 3. Englische Originalausgabe, Addison- Wesley Publishing Company, Menlo Park, California, USA 1965
[4] Hey, Tony: Das Quantenuniversum, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998
[5] Hey, Tony: Das Quantenuniversum, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dem Text "Das Doppelspaltexperiment in der Quantenmechanik"?
Der Text befasst sich mit dem Doppelspaltexperiment und dessen Bedeutung für das Verständnis der Quantenmechanik. Er vergleicht das Verhalten von Teilchen und Wellen und erläutert die Interferenzerscheinungen, die beim Doppelspaltexperiment mit Wellen auftreten.
Was ist das Doppelspaltexperiment mit Teilchen?
Beim Doppelspaltexperiment mit Teilchen werden Geschosse (als Beispiel werden Maschinengewehr-Geschosse genannt) durch zwei Spalte auf Detektoren geschossen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Auftreffens der Geschosse lässt sich mit der klassischen Mechanik erklären.
Was passiert beim Doppelspaltexperiment mit Wellen?
Beim Doppelspaltexperiment mit Wellen erzeugt ein Wellenerreger eine Welle, die an den beiden Spalten wiederum Kreiswellen erzeugt. Diese Wellen interferieren miteinander, was zu einem Interferenzmuster führt. Die Amplituden der Wellen addieren oder subtrahieren sich, was zu Wellenbergen und Wellentälern führt.
Was ist das Huygenssche Prinzip?
Das Huygenssche Prinzip wird im Zusammenhang mit dem Doppelspaltexperiment mit Wellen erwähnt. Es besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle betrachtet werden kann.
Was ist das Doppelspaltexperiment im Schulexperiment?
Da ein Doppelspalt für Elektronen nicht immer verfügbar ist, wird in der Schule oft eine polykristalline Graphitfolie als Beugungsgitter verwendet, was einem "Vielspalt" entspricht.
Wie ist der Versuchsaufbau für das Doppelspaltexperiment im Schulexperiment?
Der Versuchsaufbau besteht aus einer Elektronenbeugungsröhre, die sich in einem luftleeren Glaskolben befindet. Diese Röhre enthält eine Glühkathode (Elektronenquelle), eine Anode mit Beugungsgitter ("Vielspalt") und eine Fluoreszenzschicht zur Beobachtung der Interferenzmuster. Heizspannung und Anodenspannung werden verwendet, um den Elektronenstrahl zu erzeugen und zu beschleunigen.
Welche Spannungen werden für das Schulexperiment verwendet?
Als Heizspannung werden 6 Volt Gleichstrom verwendet, während die Anodenspannung im Bereich von 5 kV und mehr liegt, um den Elektronenstrahl zu beschleunigen.
Welche Quellen werden im Text zitiert?
Der Text zitiert unter anderem "Physik" von Paul Tipler, "Das Quantenuniversum" von Tony Hey, "Lectures on Physics" von Richard Feynman und die Anleitung zur Elektronenbeugungsröhre von Leybold-Heraeus.
- Quote paper
- Jan Schulze (Author), 2002, Das Doppelspaltexperiment in der Quantenmechanik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/106128
