Doppelspaltexperimente
Aufgabenstellung
In einem Doppelspaltexperiment werden zwei schmale Spalte, die dicht nebeneinander (d.h., Spaltabstand und Spaltbreite liegen in derselben Größenordnung) parallel angeordnet sind, mit Licht oder einer anderen Strahlung beleuchtet/bestrahlt. Spaltbreite und -abstand sind dabei auf die verwendete Strahlung abgestimmt. Im Falle von Licht liegen beide Größen in derselben Größenordnung wie die Wellenlänge des Lichts. Hinter dem Doppelspalt befindet sich ein Messgerät, dass die Intensität der ankommenden Strahlung ortsaufgelöst erfassen kann. Im Falle von sichtbarem Licht kann dies auch ein Beobachtungsschirm sein, auf dem die Lichtintensität visuell beurteilt wird.
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit dem intensiven Licht eines Lasers oder einer Weißlichtquelle. Während ein Laser monochromatisch arbeitet (d.h., er strahlt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge ab), sind im weißen Licht alle Wellenlängen des sichtbaren Bereichs enthalten. Beurteilen Sie die Richtigkeit der Aussagen.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Aufgrund der hohen Lichtintensität der Laserstrahlung kann in diesem Fall bereits mit bloßem Auge ein Interferenzmuster auf dem Beobachtungsschirm erkannt werden. | ||
| Bei der Verwendung von weißem Licht liegen die Maxima für die einzelnen Wellenlängen an unterschiedlichen Positionen, sodass das Licht in den Interferenzmaxima in seine Farbbestandteile aufgespalten wird. |
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit einzelnen Photonen. Die (monochromatische) Lichtquelle wird dabei so betrieben, dass sich niemals mehr als ein Photon in der Apparatur befindet. Beurteilen Sie die Richtigkeit der Aussagen.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| In diesem Fall ist kein Interferenzmuster zu erwarten, da Interferenz stets aus der Überlagerung mehrerer Photonen resultiert. | ||
| Die experimentelle Realisierung des Doppelspaltexperiments mit einzelnen Photonen ist (bisher) nicht gelungen, da kein Detektor für Einzelphotonen existiert. |
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit Elektronen, die aus einer Kathode emittiert und anschließend durch eine angelegte Spannung beschleunigt werden. Um die Ausbreitung der Elektronen nicht zu stören, befindet sich der gesamte Aufbau hierbei unter Vakuum. Beurteilen Sie die Richtigkeit der Aussagen.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Das entstehende Interferenzmuster beweist noch nicht den Wellencharakter der Elektronen, da eine Erklärung auch anhand von Streuprozessen der (als Teilchen angenommenen) Elektronen möglich ist. | ||
| Wird die angelegte Beschleunigungsspannung vergrößert, so nehmen die Abstände zwischen den Maxima im Interferenzmuster zu. |
Lösung
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit dem intensiven Licht eines Lasers oder einer Weißlichtquelle. Während ein Laser monochromatisch arbeitet (d.h., er strahlt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge ab), sind im weißen Licht alle Wellenlängen des sichtbaren Bereichs enthalten.
- Aufgrund der hohen Lichtintensität der Laserstrahlung kann in diesem Fall bereits mit bloßem Auge ein Interferenzmuster auf dem Beobachtungsschirm erkannt werden.
- Richtig: Ein einfacher Laserpointer genügt, um Interferenzmuster zu erzeugen, die mit bloßem Auge erkennbar sind.
- Bei der Verwendung von weißem Licht liegen die Maxima für die einzelnen Wellenlängen an unterschiedlichen Positionen, sodass das Licht in den Interferenzmaxima in seine Farbbestandteile aufgespalten wird.
- Richtig: Die Lage der Maxima und Minima hängt auch von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Bei weißem Licht führt dies zu einer Farbaufspaltung.
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit einzelnen Photonen. Die (monochromatische) Lichtquelle wird dabei so betrieben, dass sich niemals mehr als ein Photon in der Apparatur befindet.
- In diesem Fall ist kein Interferenzmuster zu erwarten, da Interferenz stets aus der Überlagerung mehrerer Photonen resultiert.
- Falsch: Interferenz ist eine Eigenschaft des einzelnen Photons. Das Photon interferiert mit sich selbst.
- Die experimentelle Realisierung des Doppelspaltexperiments mit einzelnen Photonen ist (bisher) nicht gelungen, da kein Detektor für Einzelphotonen existiert.
- Falsch: Beispielsweise können Detektoren, die auf dem äußeren Photoeffekt beruhen (Sekundärelektronenvervielfacher mit Photokathode, engl.: Photomultiplier), aus einem ankommenden Photon einen messbaren Spannungspuls erzeugen.
Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Doppelspaltexperimente mit Elektronen, die aus einer Kathode emittiert und anschließend durch eine angelegte Spannung beschleunigt werden. Um die Ausbreitung der Elektronen nicht zu stören, befindet sich der gesamte Aufbau hierbei unter Vakuum.
- Das entstehende Interferenzmuster beweist noch nicht den Wellencharakter der Elektronen, da eine Erklärung auch anhand von Streuprozessen der (als Teilchen angenommenen) Elektronen möglich ist.
- Falsch: Eine Aufweitung des Elektronenstrahls kann grundsätzlich auch durch Streuung begründet werden. Die Entstehung von Maxima und Minima lässt sich jedoch nicht durch Streuprozesse erklären.
- Wird die angelegte Beschleunigungsspannung vergrößert, so nehmen die Abstände zwischen den Maxima im Interferenzmuster zu.
- Falsch: Mit größer werdender Beschleunigungsspannung verkleinert sich die Wellenlänge der Elektronen. Folglich nehmen die Abstände im Interferenzmuster ab.