Welle-Teilchen-Dualismus

Der Welle-Teilchen-Dualismus ist vielleicht eines der verwirrendsten Konzepte in der Physik, denn er ist so anders als alles, was wir in der gewöhnlichen Welt sehen.

Physiker, die in den 1700er und 1800er Jahren Licht untersuchten, stritten sich darüber, ob Licht aus Teilchen oder Wellen besteht. Licht scheint beides zu tun. Manchmal scheint Licht nur in einer geraden Linie zu verlaufen, als ob es aus Teilchen bestünde. Andere Experimente zeigen jedoch, dass Licht eine Frequenz und Wellenlänge hat, genau wie eine Schallwelle oder eine Wasserwelle. Bis ins 20. Jahrhundert glaubten die meisten Physiker, Licht sei entweder das eine oder das andere, und die Wissenschaftler auf der anderen Seite des Arguments lagen einfach falsch.

Gegenwärtige Situation

Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr arbeiteten an diesem Problem. Die aktuelle wissenschaftliche Theorie besagt, dass sich alle Teilchen sowohl wie Wellen als auch wie Teilchen verhalten. Dies wurde sowohl für Elementarteilchen als auch für zusammengesetzte Teilchen wie Atome und Moleküle verifiziert. Bei makroskopischen Teilchen können aufgrund ihrer extrem kurzen Wellenlängen Welleneigenschaften normalerweise nicht nachgewiesen werden.

Experiment

Im Jahr 1909 entschied ein Wissenschaftler namens Geoffrey Taylor, dass er diesen Streit ein für alle Mal beilegen wolle. Er lieh sich ein Experiment aus, das zuvor von Thomas Young erfunden worden war, bei dem Licht durch zwei kleine Löcher direkt nebeneinander gestrahlt wurde. Wenn helles Licht durch diese beiden kleinen Löcher gestrahlt wurde, erzeugte es ein Interferenzmuster, das zu zeigen schien, dass das Licht tatsächlich eine Welle war.

Taylors Idee war es, das aus den Löchern austretende Licht mit einer Spezialkamera, die ungewöhnlich lichtempfindlich war, zu fotografieren. Wenn helles Licht durch die Löcher schien, zeigte das Foto ein Interferenzmuster, genau wie Young es zuvor gezeigt hatte. Taylor drehte dann das Licht auf ein sehr schwaches Niveau herunter. Als das Licht schwach genug war, zeigten Taylors Fotos winzige Punkte, an denen das Licht aus den Löchern herausgestreut wurde. Dies schien zu zeigen, dass das Licht tatsächlich ein Partikel war. Wenn Taylor das gedämpfte Licht lange genug durch die Löcher durchscheinen ließ, füllten die Punkte schließlich das Foto aus, um wieder ein Interferenzmuster zu erzeugen. Dies zeigte, dass Licht irgendwie sowohl eine Welle als auch ein Partikel war.

Um die Sache noch verwirrender zu machen, schlug Louis de Broglie vor, dass die Angelegenheit genauso verlaufen könnte. Die Wissenschaftler führten dann die gleichen Experimente mit Elektronen durch und stellten fest, dass auch Elektronen irgendwie sowohl Teilchen als auch Wellen sind. Elektronen können für Youngs Doppelspaltexperiment verwendet werden.

Heute sind diese Experimente von so vielen verschiedenen Menschen auf so unterschiedliche Weise durchgeführt worden, dass die Wissenschaftler einfach akzeptieren, dass sowohl Materie als auch Licht irgendwie sowohl Wellen als auch Teilchen sind. Die Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie dies sein kann, aber sie sind sich ziemlich sicher, dass es wahr sein muss. Obwohl es unmöglich zu verstehen scheint, wie etwas sowohl eine Welle als auch ein Teilchen sein kann, haben Wissenschaftler doch eine Reihe von Gleichungen zur Beschreibung dieser Dinge, die Variablen sowohl für die Wellenlänge (eine Welleneigenschaft) als auch für den Impuls (eine Teilcheneigenschaft) haben. Diese scheinbare Unmöglichkeit wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet.

Grundlegende Theorie

Welle-Teilchen-Dualität bedeutet, dass alle Teilchen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften aufweisen. Dies ist ein zentrales Konzept der Quantenmechanik. Klassische Begriffe wie "Teilchen" und "Welle" beschreiben das Verhalten von Objekten auf der Quantenskala nicht vollständig.

Partikel als Wellen

Ein Elektron hat eine Wellenlänge, die "de Broglie-Wellenlänge" genannt wird. Sie kann mit der Gleichung berechnet werden

λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {\displaystyle \lambda _{D}} $\lambda _{D}$ ist die de Broglie-Wellenlänge.

h {\Anzeigestil h} $h$ ist die Planck'sche Konstante

ρ {\rho \rho } $\rho$ ist der Schwung des Teilchens.

Dadurch entstand die Vorstellung, dass Elektronen in Atomen ein stehendes Wellenmuster aufweisen.

Wellen als Partikel

Der photoelektrische Effekt zeigt, dass ein Lichtphoton, das genügend Energie hat (eine ausreichend hohe Frequenz), die Freisetzung eines Elektrons von der Oberfläche eines Metalls bewirken kann. Die Elektronen können in diesem Fall als Photoelektronen bezeichnet werden.