Überlagerung (Interferenz) mit sich selbst?
Die Überlagerung von Wellen, z.B. Licht- oder Wasserwellen, von mehreren Quellen wird als Interferenz bezeichnet, es ergibt sich ein charakteristisches Muster von abwechselnd hoher und tiefer Intensität. Dies kennen wir von Licht oder auch von Wasserwellen, es lässt sich aber auch mit Elektronen beobachten.
In der Quantenmechanik kann ein einzelnes Elektron oder ein einzelnes Photon (Lichtteilchen) auch mit sich selbst interferieren. Dies kann mit dem Doppelspaltexperiment nachgewiesen werden.
Doppelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen
Einzelne Elektronen werden beschleunigt und treffen auf einen Doppelspalt. Der Beobachtungsschirm dahinter zeigt ein Interferenzmuster mit abwechselnden Maxima und Minima - das Elektron verhält sich also wie eine Welle. Die Lage der Maxima und Minima wird vom Spaltabstand, der Spaltbreite und der Energie der Elektronen bestimmt.
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Illustration Doppelspaltexperiment, links werden Elektronen emittiert und beschleunigt, rechts ist die Anordnung mit Doppelspalt und Beobachtunsschirm auf dem die Elektronen gemessen werden.
Bild: Ruth Bründler, UZH
Messung auf dem Beobachtungsschirm: Die Position einzelner Teilchen sieht man in der Figur oben.
Mit vielen einzelnen Elektronen ergibt sich das Muster in der Figur unten, ein typisches Interferenzmuster. Man sieht keine einzelnen Teilchen an Orten mit tiefer Wellenintensität. Das heisst, einzelne Teilchen zeigen Interferenzeffekte: sie können mit sich selbst interferieren. Dies ist nur quantenmechanisch zu erklären: das Teilchen wird durch seine Wellenfunktion beschrieben wird, diese beschreibt die Wahrscheinlichkeit, wo das Teilchen nachgewiesen werden kann. Wird der Weg des Teilchens geteilt (z.B. durch das Gitter) führt dies zu einer Überlagerung der Wellen und entsprechenden Interferenzeffekten.
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Beobachtung von Interferenzeffekten
Bild: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102(42), 2005. doi:10.1073/pnas.0504720102
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Mehr zu: Doppelspaltexperiment mit Elektronen
Das Doppelspaltexperiment mit Elektronen ist eines der berühmtesten Experimente der Physik. Es zeigt auf verblüffende Weise, dass Teilchen wie Elektronen sich wie Wellen verhalten können. Bei dem Experiment werden einzelne Elektronen aus einer Elektronenquelle auf eine Wand mit zwei schmalen Spalten gesendet. Dahinter befindet sich ein Detektor, der registriert, wo die Elektronen auftreffen. Dies kann beispielsweise ein fluoreszierender Schirm sein.
Klassischerweise würde man erwarten, dass die Elektronen entweder durch den linken oder den rechten Spalt fliegen und auf dem Schirm zwei getrennte Streifen erzeugen.
Lässt man das Experiment jedoch lange genug laufen, sodass viele Elektronen nacheinander durch die Spalten fliegen, bildet sich auf dem Schirm ein Interferenzmuster, also helle und dunkle Streifen, die typisch für die Überlagerung von Wellen sind. Es sieht also so aus, als hätte jedes einzelne Elektron mit sich selbst interferiert.
Versucht man nachzumessen, durch welchen Spalt das Elektron geht, verschwindet das Interferenzmuster. Man erhält wieder zwei einfache Streifen.
In der Quantenmechanik wird dies als Wellen-Teilchen-Dualismus bezeichnet: Elektronen verhalten sich je nach Messung wie Wellen oder wie Teilchen. Der Zustand eines Elektrons ist vor der Messung nicht festgelegt, sondern es befindet sich in einer Überlagerung beider möglicher Wege. Erst durch die Messung „entscheidet” sich das Elektron für einen Weg.
Doppelspaltexperiment mit Elektronen
Video : Die einzelnen Punkte auf dem Leuchtschirm entsprechen dem Signal von einzelnen Elektronen im Doppelspaltexperiment. Nach ca einer Minute sieht man das typische Interferenzmuster, das man für Wellen erwartet. (Video: Vega Science Trust, Vortrag von Akira Tonomura)
