P 69: Wellen im Kopf eines Prinzen
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.
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 einsetzt, also p = m*v (m ist nun die Ruhemasse des Elektrons), so kommt eine Wellenlänge heraus.
Daraus folgerte er, dass man auch jedem sog. Teilchen, wie einem Elektron, eine Welle zuordnen muss.
λ = h/(m*v) = h/p
Vereinfachend: Die Doppeleigenschaft Welle-Teilchen gibt es nicht nur für Licht sondern für alles.
Uns überrascht es nicht, denn sie gilt für Quanten und alles besteht ja aus Quanten.
1929 bekam de Broglie dafür den Nobelpreis in Physik. Er wurde dann einer der bedeutendsten Quantentheoretiker und hat neue Ansätze zur Interpretation der Quantenmechanik entwickelt, die wir sicher noch kennenlernen werden.
Aber bis dahin war es ein langer Weg.
Die Prüfungskommission sah sich nicht in der Lage, diese Idee zu beurteilen. Es gab damals keinerlei experimentellen Anhaltspunkt.
de Broglie selbst schreibt dazu später:
Die Kühnheit dieser Idee war so groß – ich muss aufrichtig sagen, daß ich selber auch damals den Kopf schüttelte dazu.
Die Prüfer (alles berühmte Physiker) schickten die Doktorarbeit an Einstein, der sie las und sich anerkennend und begeistert dazu äußerte.
Fazit: de Broglie bekam seinen Doktor und dann den Nobelpreis.
Erst drei Jahre später konnte man Interferenzversuche mit Elektronenstrahlen durchführen. Dazu gleich mehr.
Zeilinger aus Wien gelingt es zur Zeit sogar Interverenzversuche mit Molekülen aus 70 Kohlenstoffatomen (Fullerene) durchzuführen!
Das sind Riesen-Dinger, die man fast unter einem Mikroskop sehen kann...
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| Physik Uni Regensburg |
Erkennt ihr das Interferenzmuster eines Doppelspaltes wieder? Die Auswertung war mal Abiaufgabe 2004 in Baden-Württemberg
Vielleicht könnt ihr, wenn ihr unsere Vortragsräume verlasst, dafür sorgen, dass immer gleichzeitig je eine Person durch die beiden benachbarten Türen geht.
Vielleicht verschwindet ihr dann ja auch in einem Interferenzminimum?
"Wir konnten leider nicht zum Unterricht erscheinen, da wir vorher gemeinsam durch eine Doppeltür gingen und uns gegenseitig ausgelöscht haben."
11.2 Berechnung von Wellenlängen
Aufgaben:
a) Welche Wellenlänge besitzt ein Elektron der Geschwindigkeit 1 m/sec?
b) Welle Wellenlängen besitzen Elektronen in alten Röhren-TVs, die durch eine Spannung von 25 kV beschleunigt wurden?
c) Welche Wellenlängen besitzen ruhende Elektronen?
d) Welche Wellenlänge besitzt ein 70 kg Mensch, der mit 1 m/sec spazierengeht?
Versteht ihr jetzt, warum Menschen nicht durch Interferenzen verschwinden.... ?
Lösungstipps und Ergebnisse:
a) Masse des Elektrons nachschlagen, mit 1 multiplizieren und h durch das Ergebnis teilen:
die 0,7 mm könnte man sogar sehen...
b) e*U = 1/2*m*v² liefert v = 94 000 km/sec (geht gerade noch nicht relativistisch...)
Das Ergebnis liegt bei 0,008 nm, die Wellen passen leicht in das Innere der Atome...
c) v=0...denkt mal nach...
d) Bei einer Wellenlänge von 9*10^(-36) m sollte man sich verdammt nahe kommen um interferieren zu können.
Während der Corona-Zeiten ein absolutes No Go!
In den nächsten Posts werden wir dann Experimente zur Elektronenbeugung kennenlernen. Ich stelle euch Prof. Jönsson vor, er hat mit einem Doppelspaltversuch mit Elektronen das "schönste Experiment aller Zeiten" durchgeführt. Ich durfte ihn bei einem Vortrag im SFN kennenlernen.
Und dann treiben wir es auf die Spitze...wir schauen japanischen Technikern zu, wie sie mit einzelnen Elektronen spielen...
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