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DoppelspaltexperimentBeim Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes, monochromatisches Licht auf eine Blende mit zwei schmalen Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Dieses Muster entsteht durch Interferenz der Lichtwellen von den beiden Blendenöffnungen. Das Experiment kann nicht nur mit den „Wellen“ des Lichts, sondern auch mit seinen und anderer Art „Teilchen“ (Photonen, Elektronen, Neutronen, Atomen, Fulleren-Molekülen usw.) durchgeführt werden. Es zeigt sich auch in diesen Fällen ein Interferenzmuster wie bei der Durchführung mit Licht. Das bedeutet, dass auch klassische Teilchen unter bestimmten Bedingungen Welleneigenschaften zeigen – man spricht dann von „Materiewellen“. Mit dem Doppelspaltexperiment kann man so den Welle-Teilchen-Dualismus demonstrieren, der nur im Rahmen der Quantenmechanik erklärt werden kann. Dieses Gesetz gilt aber nicht nur aus Gründen des Welle-Teilchen-Dualismus als das wichtigste Experiment der Quantenmechanik. Es ist zugleich ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik unsere Weltanschauung verändert. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Geschichte1802 führte Thomas Young das Experiment erstmalig durch, um die Wellennatur des Lichtes zu beweisen. 1927 zeigten Clinton Davisson und Lester Germer die Welleneigenschaften von Elektronen anhand der Beugung eines Elektronenstrahls an einem Nickel-Kristall[1]. Der Kristall wirkt dabei als Reflexionsgitter. Statt zweier Spalte sind hier sehr viele Streuzentren im Spiel. 1961 wurde das Doppelspaltexperiment mit Elektronen durch Claus Jönsson[2][3] durchgeführt und im September 2002 in einer Umfrage der englischen physikalischen Gesellschaft in der Zeitschrift „Physics World“ zum schönsten physikalischen Experiment aller Zeiten gewählt. Seither wird das Experiment mit unterschiedlichen Teilchen ständig wiederholt. Experimentelle Beobachtung
Mathematische BeschreibungWenn der Beobachtungsschirm relativ weit vom Doppelspalt entfernt ist, ist der Winkel α zum Beobachtungspunkt von beiden Spalten aus derselbe. Man kann dann also mit folgendem Bild arbeiten: dabei ist:
Aus der Zeichnung liest man ab:
Für kleine Winkel α (Beobachtungsschirm ist weit weg!) gilt die Kleinwinkelnäherung: also bzw.
Orte der MaximaEin Maximum auf dem Schirm findet man gerade dann, wenn der Gangunterschied Δs der beiden Wellen ein ganzzahliges Vielfaches einer ganzen Wellenlänge λ ist. Also , wobei . Für die Orte der Maxima findet man also: Orte der MinimaHier ist der Gangunterschied ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge. Also , wobei . Für die Orte der Minima ergibt sich also:
Das InterferenzmusterDie Intensität des Doppelspaltes lässt sich als Produkt der Intensität des Einzelspaltes und des Gitters mit n = 2 darstellen: Mit: und Dabei ist α der Beobachtungswinkel, b die Spaltbreite, a der Spaltabstand und k die Wellenzahl mit .
Einfluss von Spaltgeometrie und WellenlängeSetzt man für in die Gleichung des Interferenzmusters γ und δ ein, so werden die Einflüsse von Spaltgeometrie und Wellenlänge des einfallenden Lichtes auf das Aussehen des Interferenzmusters deutlich:
→ Je breiter der Spalt, desto enger wird die Hüllkurve
→ Je größer der Spaltabstand, desto enger liegen die Extrema des Doppelspalts beieinander
→ Je größer die Wellenlänge, desto breiter werden Hüllkurve und die Interferenzabstände des Doppelspalts Ein gutes Gefühl für den Einfluss der unterschiedlichen Variablen vermittelt das in den Weblinks aufgeführte Java-Applet der Universität Keimyung. Folgerungen aus den Beobachtungen für die QuantenmechanikBetrachtet man die quantenmechanische Beschreibung des Experimentes, so fällt eine wichtige Tatsache auf: Der Beobachter muss in die Experimente miteinbezogen werden, da er den Ausgang des Experimentes entscheidend verändert (durch die Detektion/Messung des genauen Weges eines bestimmten Teilchens). Dieses Phänomen ist in der klassischen Physik unbekannt. Dort beeinflusst eine Messung nie das Ergebnis eines Versuches. Auch in der Quantenphysik gibt es mehrere Ansätze, dieses Phänomen zu beschreiben. Alle diese Ansätze (Interpretationen oder Deutungen genannt) führen zum selben Ergebnis, sind aber konzeptuell unterschiedlich. Zwei Deutungen haben sich besonders profiliert:
Videos
Literatur
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Doppelspaltexperiment aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |