Übung » Basiskenntnistest - Physik

:

Welle-Teilchen Dualismus

 

1.     Einleitung

2.     Welle-Teilchen-Dualismus

3.     Zusammenfassung

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Um 1900 wurden Experimente gemacht, bei denen eine geladene Metallplatte mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurde, welche sich daraufhin (langsam) entlud. Folglich musste das Licht Elektronen aus dem Material herausschlagen können. Folglich musste das Licht einen Impuls besitzen. Diese Eigenschaft war bis dato aber nur mit massebehafteten Teilchen verbunden, denn Impuls p = m*v! Albert Einstein war der erste, der diesen Effekt – genannt photoelektrischer Effekt – richtig erklären konnte, wofür er auch 1921 den Nobelpreis erhielt (Einstein hat keinen Nobelpreis für die Relativitätstheorie erhalten!). Obwohl schon bekannt war, dass Licht eine Welle ist, postulierte Einstein, dass Licht zugleich auch ein Teilchen sein müsse, welches einen Impuls hat. Dieses Lichtteilchen wird heute Photon genannt.

2. Welle-Teilchen-Dualismus

Dieser scheinbare Widerspruch ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt. Je nachdem welchen Versuch man durchführt, hat Licht einmal Welleneigenschaften und ein anderes mal Teilcheneigenschaften. Misst man zB. beim Doppelspalt-Experiment durch welchen der beiden Spalten das Lichtteilchen wirklich durchgeht, so verschwinden sofort alle Interferenzmuster und man erhält das gleiche Bild, als ob man Tennisbälle für den Versuch verwendet hätte. Das Licht verhält sich wie ein klassisches Teilchen (Photon). Hört man auf den Durchtritt durch den Spalt zu beobachten, stellt sich wieder das Interferenzmuster ein, das Licht verhält sich wieder wie eine Welle.

Aber nicht nur Licht (Photonen) unterliegt dem Welle-Teilchen-Dualismus, sondern auch Elektronen und Protonen. Später konnte man nachweisen, dass überhaupt allen Teilchen eine Wellenlänge zugeordnet werden kann und sie dem Welle-Teilchen-Effekt unterliegen – so auch der Tennisball. Allerdings gilt, je schwerer (eigentlich energiereicher) das Teilchen ist, desto kürzer ist die Wellenlänge. Da der Tennisball sehr viel schwerer ist als ein einzelnes Elektron, hat er eine unvorstellbar kurze Wellenlänge. De Broglie (sprich De Broy) prägte den Begriff der Materiewelle. So wie man jeder Materie eine Welle zuordnen kann, so kann man auch jeder Welle Teilcheneigenschaften wie einen Impuls zuordnen: p = h/λ (h ist das Planck'sche Wirkungsquantum h = 6.6 * 10-34 Js). Ebenso könnte man theoretisch dem Menschen eine Wellenlänge zuordnen. Der Ort, an dem man sich befindet ist damit nicht vollkommen exakt bestimmt. Allerdings gibt es kein Messgerät, das den Ort sehr viel genauer als auf einen Bruchteil eines Atomkerndurchmessers bestimmen könnte und es macht in der Realität auch überhaupt keinen Unterschied. Damit bleibt diese Zuordnung ein bloßes Gedankenexperiment, welches (noch??) keinerlei praktische Anwendung hat.

3. Zusammenfassung

Photonen, Elektronen, Protonen, ...  "sind" Welle und Teilchen zugleich. Man könnte auch sagen, sie sind weder das eine noch das andere wirklich, sondern "Quantenobjekte". Je nach Experiment können sie sowohl Welleneigenschaften wie Wellenlänge, Frequenz, Interferenz, Beugung als auch Teilcheneigenschaften wie Masse, Impuls, elastischer Stoß besitzen.


Kontrollfragen:


1

Ein Photon hat keine Masse, aber dennoch einen Impuls p = h/λ (das Plancksche Wirkungsquantum h = 6,626*10-34Js). Wie groß ist dessen Impuls, wenn das Photon eine Wellenlänge von 400nm (blau) hat?

1J ist gleich 1 kg*m2 / s2. Die Rechnung lautet somit 6,626*10-34kg*m2 / s * 400 * 10-9m und ergibt damit 1,66*10-27kgm/s.

2

Es wird ein sehr leichter Spiegel an einem Faden aufgehängt (wie ein Fadenpendel) und mit einem sehr starken Lichtblitz angestrahlt. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?

  1. Der Spiegel beginnt zu schwingen, wie ein Fadenpendel.
  2. Da (sehr wenig) Licht im Glas absorbiert wird, erwärmt sich der Spiegel (sehr wenig).
  3. Da Photonen eine negative Ladung haben, laden die absorbierten Photonen den Spiegel auf (sehr wenig).
 

Photonen haben eine neutrale Ladung. Oberflächen reflektieren nie die vollständige elektromagnetische Strahlung (Licht). Strahlung, die nicht reflektiert wird, durchdringt den Körper, oder wird in oder an ihm absorbiert - bei Licht ist letzeres der Fall. Da die Energie des Lichts nicht einfach verloren geht, wird sich der Spiegel leicht erwärmen.

3

Ein Photon hat keine Masse, aber dennoch einen Impuls p = hf/c (h ist das Plancksche Wirkungsquantum h = 6,6*10-34 Js, c die Lichtgeschwindigkeit 300 000 km/s und f die Frequenz). Wie groß ist dessen Impuls, wenn das Photon eine Wellenlänge von 660nm (rot) hat?

Aus der Lichtgewschindigkeit c = λf folgt, dass c/f = λ ist. Somit kann man λ in die Formel des Impulses einsetzen, also p = h/λ. Durch das einsetzen der Werte ergibt sich 6,6 * 10-34kgm2/s / 6,6 * 10-7m  = 1*10-34+7kgm/s= 1 * 10-27 kgm/s.