Was ist denn nun Licht? Von Maxwells elektromagnetischen Wellen zu gequetschten Photonen

  11.5 Versuch von Möllenstedt und Düker Erinnert ihr euch noch an das Michelson-Morley-Interferometer...? Das mussten wir justieren und am Anfang haben sich die beiden Strahlen noch nicht überlagert. Erst als sie aufeinander entlang liefen, trat plötzlich Interferenz auf. Hier nochmal  die Bilder dazu: Michigan State University Genau so etwas ist dem Doktorvater von Jönsson gelungen: Gottfried Möllenstedt (1912 - 1997) hat zusammen mit Heinrich Düker (1923-1985) in Tübingen 1956 den folgenden Versuch gemacht : Ein dünner Draht wird in einen (kohärenten) Elektronenstrahl gehalten. Links und rechts vom Strahl entsteht Beugung. Dann wird der Draht positiv aufgeladen (Im Bild wird die Ladespannung angegeben). Dadurch wird der Elektronenstrahl links und rechts vom Draht aufgeweitet. Die beiden Bereiche  beginnen sich hinter dem Draht zu überlappen. Genau dort tritt Interferenz ein (ab etwa 4 V).     Also: Elektronenwellen sind ganz normale Wellen!  

  11.4.5 Versuchsdurchführung Jahrzentelang hatte die ASS eine Elektronenbeugungsröhre...bis sie einem Kollegen (ich war es nicht!) einmal vor fast 30 Jahren aus der  Hand rutschte...sie war ja aus Glas... Ende 1999 entschlossen sich mein damaliger Kollege H.Schneider und ich diesen zentralen Versuch  unseren Schüler/innen wieder zugänglich zu machen. Geld für eine neue Röhre gab es nicht, aber wir konnten eine Röhre ausleihen und Kollege Schneider führte den Versuch seinem damaligen LK vor. Ich filmte das Ganze und machte daraus meinen ersten Lehrfilm... Den schaut euch an...und dann reden wir über die fehlenden Formeln zur Auswertung... Und num die moderne Version: Auch hier sieht man schön die Abhängigkeit der Beugungsstruktur von der Wellenlänge, d.h. der Beschleuinigungsspannung. Beeindruckend ist aber, wie sich das gesamte Beugungsbild im Magnetfeld verschiebt. Die Lorentzkraft wirkt auf jedes einzelen Elektron und verschiebt es senkrecht zur Magnetfeldrichtung und zur Bewegungsr

 11.4.3 Der Schulversuch zur Elektronenbeugung In einer Vakuumröhre wird ein Elektronenstrahl erzeugt. Zur Erinnerung: Kathode heizen, Beschleunigugngspannung zwischen Kathodenund Anode anlegen, Elektronen fliegen durch ein Loch in der Anode weiter... Sie durchfliegen dann ein Graphitblättchen. Dort gibt es zwei regelmäßige Gitterstrukturen, an beiden findet Beugung und Interferenz statt. Das Interferenzbild wird an einem Fluoreszentschirm sichtbar gemacht. Es besteht aus konzentrischen Kreisringen mit dem 0. Maximum auf dem ursprünglichen Strahl.   Vollkommen seltsam (aber das hatten wir bei Licht auch schon): Die Elektronen müssen bei der Ausbreitung durch das Graphit wie Wellen behandelt werden und kommen dann als Teilchen auf dem Schirm an, aber nur da, wo die Wellen Interferenzmaxima bilden. Dass es sich hier nicht um Lichterscheinungen handelt, merkt man, dass der Elektronenstrahl sich seitlich verschiebt, wenn man einen Magneten in die Nähe bringt (Lorentzkraft): Es sind wirklic

  11.4 Elektronenbeugung an Kristallen 11.4.1 Mit Zufall zum Erfolg Clinton J. Davisson (1881-1958) untersuchte mit seinem Assistenten Lester H. Germer (1896-1971, übrigens ein begeisterter Extremkletterer, der 1971 am Berg einen Herzinfarkt bekam...)) Nickelmetalle. Ihr Ziel war es herauszufinden, ob Nickel für Telekommunikationsgeräte das teurere Platin ersetzen kann. Davisson (links) und Germer  Sie beschossen im Vakuum Nickel mit energiearmen Elektronen und untersuchten deren, meist gleichmäßige, Rückstreuung. Dann entstand ein Riss in der Vakuumapparatur, Sauerstoff strömte ein und oxidierte die Nickeloberfläche. Durch Ausheizen versuchten sie die Oxidschicht abzusprengen und wiederholten ihre Versuche. Plötzlich wurden die Elektronen nur noch in bestimmte Richtungen zurückgestreut. Duch Beugung von Röntgenstrahlen am Nickel erkannten sie, dass durch das Ausheizen aus dem Nickelmetall ein Nickelkristall geworden war. Sie interessierten sich aber weniger dafür, dass das Beugungsbil

 11.3 Elektronenbeugung am Doppelspalt 11.3.1 Die Vorgeschichte Historisch gesehen wurde die Welleneigenschaft von Elektronen durch Beugung von Elektronenwellen an Kristallen 1926 nachgewiesen. So ganz wollte man am Anfang aber nicht ausschließen, dass hier andere Effekte einer Wechselwirkung mit Kristallen die Ursache für die Beugungsbilder sind. Damit beschäftigen wir uns im nächsten Kapitel. Was die Forschenden noch brauchten, das war ein "reiner" Versuch, so wie bei Licht: Man mache zwei Öffnungen in eine Pappe, lenke einen Lichtstrahl drauf und sieht ein Interferenzmuster. So etwas fehlte für Elektronen! Selbst Richard Feynman hielt einen solchen Versuch für unmöglich!  Der damals junge Physiker Claus Jönnson lies sich aber von den vorgefertigten Meinungen nicht einschüchtern. In seiner  Doktorarbeit entwickelte er 1957 einen solchen Versuch: Ein Elektronenstrahl wird durch einen Doppelspalt geschickt und das Beugungsbild wird, vergrößert, angesehen. Elementarer kann und

 Teil 5: Der Prinz und die Wellen 11. Sind Elektronen etwa Wellen? Unsinn, wir schießen sie aus Metallen raus, wir zählen sie als Stromstärke, die Chemiker lassen uns denken, sie würden als kleine geladene Kugeln um Atomkerne kreisen, bei chemischen Reaktionen werden sie ausgetauscht,...wir schießen sie in Gasentladungsröhren oder im Vakuum durch die Gegend... Kein normal denkender Mensch kommt auf so einen Unsinn... 11.1 Die Entdeckung der Materiewellen Lois de Broglie (1892 - 1987) arbeitete im physikalischen Labor seines älteren Bruders an Röntgenspektroskopie und Photoeffekt.  1924 schloss er sein Physikstudium mit einer Doktorarbeit in theoretischer Physik ab. Was stand da im Wesentlichen drin?  Für den Impuls eines Photons haben wir die Formel   p = m*c = h/λ erhalten. Dabei ist λ die dem Photon zugeordnete Wellenlänge. de Broglie hat diese Formel umgestellt:  λ  = h/p und musste nun den Impuls des Photons p = m*c einsetzen. Wenn er jetzt für p den Impuls eines Elektrons einsetz

  10.4.3 Die Auflösung des scheinbaren Dualismus Versucht einmal die folgende Geschichte auf unser Problem des Welle-Teilchen-Dualismus zu beziehen: Vor fast 2000 Jahren lebten die Germanen in Mitteleuropa. Sie glaubten an Drachen und Einhörner. Diese Wesen gab es nicht real, aber in den Gedanken der Germanen waren sie wirklich. Jeder wusste alles über sie. Das Wissen gaben sie ihren Kindern in Leistungskursen über Fabelwesen weiter.... Planet Wissen ARD Ein Germane machte Urlaub in Afrika und sah dort real existierende seltsame Tiere, die wir als Rhinozerosse kennen. Frisch erholt zurück in Germanien wollten seine Stammesgenossen etwas über die Erlebnisse in dem fernen Land von ihm erfahren. Er sagte, er hätte Rhinos gesehen. Aber den Begriff kannten die Germanen  nicht, sie konnten sich nichts darunter vorstellen. Also entschloss sich der Reisende zu einem Vergleich: Wenn Du ein Rhino von vorne siehst, sieht es aus wie ein Einhorn. Und von hinten gleicht es einem Drachen.   Das half!

  10.4 Der berühmte Dualismus Welle - Teilchen Ich denke, ihr hab bei einigen der Eigenschaften festgestellt, dass sie sehr wohl zu Teilchen passen, bei anderen eher nicht. Andererseits haben wir sehr viele Experimente kennen gelernt, die man nur mit der Vorstellung von Lichtwellen erklären und verstehen kann. Das ist ein riesiges Dilemma, in das die Physiker der 20-er Jahre hineingeschlittert sind und bis zum heutigen Tage nicht richtig herausgekommen sind. 10.4.1 Dualismus Welle-Teilchen Seit Newton haben Physiker mal mit Teilchen- und mal mit Wellenvorstellungen Licht beschrieben. Interferenzversuche gaben den Ausschlag zur Wellenvorstellung. Dann kam Einstein und hat die Objekte eingeführt, die man später Photonen genannt hat. Die haben mehr Teilchen- als Welleneigenschaften Jetzt, nach 1905,  geht es nicht mehr um ein "entweder-oder", sondern darum: In welchem Experiment, welcher Naturerscheinung offenbart sich ein Teilchencharakter des Lichtes und wann ein Wellwnharakte

  10.3. Überblick über Eigenschaften von Photonen Manche dieser Eigenschaften werden wir später noch näher begründen, manche sollen hier nur der Vollständigkeit  halber erwähnt werden, über manche haben wir schon gesprochen.. E1: Photonen haben eine Masse, aber keine Ruhemasse : m = h/(λ*c) E2: Photonen haben einen Impuls p= h/λ E3: Photonen haben keine Ausdehnung und somit keine innere Struktur E4: Photonen haben einen Drehimpuls , genannt Spin der Größe S = h/(2π). Die Rotationsachse kann nur parallel zur Flugrichtung ausgerichtet sein, das Photon kann sich dann nur bezüglich dieser Achse links- oder rechtsherum mit genau dieser Stärke S drehen. Andere Drehimpulse oder Drehimpulsrichtungen sind nicht möglich. E5: Photonen kann man räumlich stark lokalisieren E6: Photonen übertragen Energie, Impuls und Drehimpuls E7: Photonen unterliegen dem Energie- und dem Impulserhaltungssatz (Ausnahmen in der Quantenfeldtheorie später) E8: Es gibt keinen Erhaltungssatz der Photonen E9: Photonen

  10.2 Photonen sind träge und haben Schwung  Wie jeder ordentlicher Körper mit Masse sind auch Photonen träge. Deswegen fliegen sie immer geradeaus. Wenn eine Kraft auf sie wirkt, werden sie von ihrer Bahn abgelenkt. Zum Beispiel zieht die Sonne vorbeifliegende Photonen von Sternen etwas zur Sonne hin. Das ist die schwere Masse der Photonen, die das macht.  Wenn Photonen träge sind, dann haben sie auch einen Schwung (den sie beibehalten möchten), sie haben einen Impuls. Bei der Beschreibung  der Entstehung von EMW werden wir diese Sichtweise noch benötigen. Das bedeutet, man kann mit Photonen etwas anstoßen: 10.2.1: Kometenschweife Die Photonen der Sonne stoßen winzige Staubteilchen in den Gashüllen der Kometen an und treiben sie als Staubschweif von der Sonne weg. Die Auswirkungen des Photonenschwungs sehen wir als Kometenschweif. (Der Sonnenwind reißt noch die Gasmoleküle aus der Hülle und erzeugt so den Gasschweif). Komet Hale-Bopp, DLR 10.2.2: Comptoneffekt Compton hat das Stoßver

  10. Teilcheneigenschaften der Photonen 10.1 Photonen  haben Massen Licht hat eine Masse? Lichtstrahlen wiegen etwas? Lichtstrahlen sind träge? Dreimal "Ja"!  Nun die Masse kann man leicht ausrechnen, denn jede Energie E ist äquivalent zu einer Masse m und umgekehrt, Masse ist eine der möglichen Formen von Energie. Hier hilft uns Einsteins berühmteste Gleichung: E = m*c² Wir haben sie in Q1 schon eingesetzt. Sie wird im Abitur angewandt, aber in  der Schule ist eine Herleitung nicht üblich. Mit ein bisschen Koordinatentransformation und spezeller Relativitätstheorie passt die Mittelstufenmathematik zur Herleitung dieser Formel auf eine Seite. Einstein hat drei Seiten gebraucht. Schaut ruhig mal rein, ein historisches Dokument, das unsere Welt verändert hat: E = m*c² ist also die Energie eines Photons. Dafür hat Planck aber auch die Formel E = h*f eingeführt. Setzen wir beide Terme gleich, so erhalten wir für die Masse eines Photons      m = h*f/c² = h/(λ*c)   wenn man c = 

   Teil 4: Was sind eigentlich Photonen?    In diesem Abschnitt wollen wir unsere bisherigen Erkenntnisse über das Verhalten von Licht hinterfragen, insbesondere die klassischen Bilder Welle und Teilchen. Wem dieses Kapitel auf Magen oder Psyche schlägt...schnell beruhigen, es kommt schlimmer... 9. Zwei Vorstellungen treffen aufeinander  9.1 Licht muss eine Welle sein! Das haben wir als eindeutig und mit großer Sicherheit kennengelernt: Licht zeigt Interferenzeffekte, wie sie nur Wellen zeigen können (Hauptargument!). Insbesondere der berühmte Poissonsche Fleck lässt sich nur mit Beugung und Interferenz von Wellen erklären. Andere Erscheinungen, wie Brechung, kann man ebenfalls einfach durch Welleneigenschaften erklären. Im Gegenteil, als Newton das mit einer Teilchenvorstellung versucht hat, ist er daran gescheitert. Wir haben sogar mehr als nur Indizien für die Oszillatoren der Lichtwelle. Faraday und Kerr haben gezeigt, dass es elektrische und magnetische Felder sein müssen, die in