Big Bang 7, Schulbuch

Welle und Teilchen 33 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Quantenphysik 59 33.4 Fußballquanten Materiewellen Es gab nun also sowohl Belege für die Wellen- als auch für die Teilchennatur des Lichts. Das war ein unglaublicher Schock, weil es das nach damaliger Ansicht nicht geben konnte. Aber diese Doppelnatur zeigt sich nicht nur bei Pho- tonen, sondern auch bei anderen kleinen Teilchen. Es war nun also nachgewiesen, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Im Jahr 1924 stellte der französische Physiker L OUIS D E B ROGLIE (sprich „de Broi“) eine gewagte Hypothese auf. Warum sollte diese Doppel- natur nur für Photonen und nicht auch für andere Quanten gelten? Wieso sollten zum Beispiel Elektronen neben ihren Teilcheneigenschaften nicht auch Welleneigenschaften auf- weisen, quasi auch eine Materiewelle sein? De Broglie stell- te einen Zusammenhang zwischen Teilchen-Impuls und Wellenlänge her (Tab. 33.2; siehe auch F31 , S. 65). Mit einem Elektronenmikroskop gelingen Aufnahmen in verblüffender Vergrößerung und Qualität (Abb. 33.19). Aber wie kann man eigentlich mit Hilfe von Elektronen Bilder machen? Wie verändert sich der Abstand der hellen Streifen bei einem Beugungsexperiment mit der verwendeten Wellenlänge? Sieh nach in Abb. 33.12, S. 56! Warum baut man zur Untersuchung von Quanten immer größere Teilchenbeschleuniger? L F15 W1 Abb. 33.19: Oben: Schneekristalle; unten: Hausstaubmilbe; Beide Fotos sind koloriert. F16 W1 F17 E1 Formel: Materiewellenlänge (de Broglie-Wellenlänge) λ = h __ p = h ___ mv λ …Wellenlänge der Materiewellen [m] p … Impuls [kgms –1 ] m …Masse [kg] v … Geschwindigkeit des Teilchens [ms –1 ] h … Planck’sches Wirkungsquantum [Js] Wellenlänge in m rotes Photon 10 –6 UV-B-Photon 10 –7 Röntgenlicht-Photon (harte Strahlung) 10 –11 Elektron, 10 8 m/s (30 keV) 10 –11 „Fußballmoleküle“ (C60), 220m/s 10 –12 Tennisball, 30m/s 10 –34 Mensch mit 75 kg bei 10m/s 10 –36 Tab. 33.2: Größenordnungsmäßige Beispielswerte für Wellenlängen bei Licht und Materie: Auch makroskopischen Objekten, etwa einem Tennisball, kann man demnach eine Wellenlänge zuordnen. Diese ist aber so absurd winzig, dass ihre Welleneigenschaften im Alltag nicht zu bemerken sind. Das klang ziemlich verrückt. Tatsächlich konnte man aber bereits 1927 die Welleneigenschaften der Elektronen und auch die Richtigkeit der Gleichung für die Materiewellen be- legen. Bis heute hat man die Doppelnatur der Quanten auch für Neutronen, Atome und sogar für Riesenmoleküle nach- gewiesen. De Broglies scheinbar absurde Annahme erwies sich als völlig richtig und war ein wichtiger Schritt in Rich- tung heutiger Quantenmechanik. Info: Fußballquanten -> S. 60 Info: Elektronenmikroskop -> S. 60 Die de Broglie-Gleichung erlaubt es im Prinzip, jedem Ob- jekt eine Wellenlänge zuzuordnen (Tab. 33.2). Da mit zu- nehmender Masse die Wellenlänge sinkt, schieben sich die Interferenzstreifen zusammen ( F16 ). Deshalb wird es im- mer schwieriger diese nachzuweisen, je größer die Objekte werden. Wo liegt also die Grenze für die Beobachtungen von Quanteninterferenzen ? A NTON Z EILINGER , österreichischer Quantenphysiker von Weltformat, meint dazu: „Die Beant- wortung dieser Frage wird wohl eher dem Erfindungsreich- tum des Experimentators überlassen sein als prinzipiellen theoretischen Überlegungen“. Für makroskopische Objekte wird es aber wahrscheinlich niemals möglich sein, weil de- ren Wellenlänge so absurd winzig ist. F Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv