Doppelspaltexperiment mit Elektronen
Physik
Basiswissen
Man schickt Elektronen durch eine Wand mit zwei dünnen Spalten. Auf einer gegenüberliegenden Wand beobachtet man, wo wie viele Elektronen ankommen. Man spricht von einem sogenannten Doppelspaltexperiment. Das Ergebnis ergibt keinen Sinn, wenn man sich die Elektronen als klassische Teilchen vorstellt, es passt jedoch sehr gut auf die Idee von Wellen, die durch die Spalten gehen. Das wirft Widersprüche auf.
Wodurch entsteht der Widerspruch?
Elektronen gelten in der Physik tendenziell als teilchenartige Struktur. Sie haben eine Ruhemasse und man kann sie zählen (zum Beispiel in einem Geigerzähler). Behandelt man sie wie klassische Teilchen nach der newtonschen Mechanik (Gewehrkugel-Modell) erhält man jedoch völlig falsche Vorhersgagen für ein Doppelspaltexperiment. Korrekte Vorhersagen erhält man erst, wenn man sich Elektronen als eine Materiewelle denkt. Mehr dazu unter Materiewelle ↗
Das Jönsson-Experiment aus dem Jahr 1961
Interferenzeffekte mit Elektronen sind experimentell extrem schwer zu zeigen. Das hängt mit der sogenannten de-Broglie-Wellenlänge zusammen. Möchte man ein Teilchen, wie zum Beispiel ein Elektron, mit Hilfe von Wellengleichungen im Sinne der Quantenphysik berechnen, benötigt man für die Formeln eine Wellenlänge. Diese Verbindung von massebehafteten Teilchen mit der Wellenvorstellung nennt man auch eine Materiewelle. Die Formel enthält dabei die Masse des Teilchens. Je höher die Masse eines Teilchens ist, desto kleiner ist seine Wellenlänge und desto näher liegen zum Beispiel die Minima und Maxima des Interferenzmusters zusammen. Bei Elektronen ist das Intereferenzmuster so eng zusammengedrückt, dass es nur mit Nanotechnologie sichtbar gemacht werden kann. Das gelang im Jahr 1961 dem deutschen Physiker Claus Jönsson. Zur Berechnung der Wellenlänge einer Materiewelle, siehe unter de-Broglie-Wellenlänge ↗
Das Taylor-Experiment aus dem Jahr 1908
Ein analoges Experiment mit Licht führte im Jahr 1908 bereits Geoffrey Ingram Taylor durch. Es gelang ihm die Intensität einer Lichtquelle im Doppelspaltexperiment soweit zu beschränken, dass im zeitlichen Mittel immer nur ein Lichtteilchen auf dem Weg zwischen der Lichtquelle und dem Schirm war. Dadurch konnte eine gegenseitige Beeinflussung der Photonen im Sinne zeitlicher Prozesse ausgeschlossen werden. Einzelen Photonen erschienen auf dem Schirm dabei stehts als Lichtpunkte oder Flecken, nie als erkennbare Welle. Doch die Summe aller Lichtteilchen über lange Zeiträume aufaddiert ergab das klassische Interferenzmuster. Ein völlig analoges Ergebnis erzielte im Jahr 1961 der deutsche Physiker Claus Jönsson mit Elektronen. Zum historischen Vorläufer siehe unter Doppelspaltexperiment nach Taylor ↗
Fußnoten
- [1] Claus Jönsson: Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten. In: Zeitschrift für Physik. Nr. 161, 1961, S. 454–474, doi:10.1007/BF01342460.
- [2] Geoffrey Ingram Taylor: Interference fringes with feeble light. In: Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Band 15, 1909, S. 114–115
