Young's Doppelspalt-Experiment

Das Doppelspaltexperiment in der Quantenmechanik ist ein von dem Physiker Thomas Young entwickeltes Experiment. Es zeigt, dass Licht sowohl eine Wellennatur oder -eigenschaft als auch eine Teilchennatur oder -eigenschaft hat und dass diese Naturen untrennbar miteinander verbunden sind. Dem Licht wird also eher ein Welle-Teilchen-Dualismus nachgesagt, als dass es nur eine Welle oder nur ein Teilchen wäre. Dasselbe gilt für Elektronen und andere Quantenteilchen.

Die Schlitze; Abstand zwischen den oberen Pfosten etwa ein Zoll.
Die Schlitze; Abstand zwischen den oberen Pfosten etwa ein Zoll.

Das Experiment

Dieses Experiment ist sehr einfach. Es erfordert lediglich ein Doppelschlitzgerät wie das im Bild gezeigte, etwas, um das Doppelschlitzgerät still zu halten, und einen guten Laser, wie er von Handwerkern beim Bauen zum "Zeichnen" gerader Linien verwendet wird. Der Laser wird unterstützt, so dass er nur mit Absicht bewegt werden kann. Er wird von einem etwa einen halben Meter entfernten Punkt aus auf den zentralen Punkt zwischen den beiden Schlitzen gerichtet. Auf der anderen Seite des Doppelschlitzgeräts wird in einigen Metern Entfernung so etwas wie eine Filmleinwand oder eine glatte weiße Wand aufgestellt. Wenn alles fixiert ist, zeigt sich ein Muster aus hellen und dunklen Bändern.

Laser können ein oder mehrere Photonen erzeugen, wenn ihnen eine bestimmte Menge an Elektrizität zugeführt wird. Das Photon oder die Photonen kommen innerhalb einer bekannten Zeitspanne aus einem sehr kleinen Loch heraus. Die Lichtgeschwindigkeit ist bekannt, so dass die Zeit, in der die Photonen auf dem Bildschirm erscheinen, vorhergesagt werden kann. Wenn die Photonen einzeln erzeugt werden, erscheinen auf dem Bildschirm nur einzelne Lichtpunkte. Wenn Photonen Wellen wären, dann würden wir erwarten, dass sie sich ausbreiten, während sie sich ausbreiten und über einen großen Bereich des Bildschirms gewaschen werden, aber das passiert nie. Wenn Photonen Teilchen wären, dann würden wir erwarten, dass sie an zwei Punkten auf dem Bildschirm erscheinen, die durch die beiden Schlitze in der Mitte mit dem Laser verbunden sind. Aber auch das passiert nicht.

Als Thomas Young dieses Experiment durchführte, hatte er keinen Laser. Er verstand es, indem er sich Licht wie Wellen von Wasser vorstellte. Er stellte sich vor, dass sich Lichtwellen von der Lichtquelle aus wie Wellen aus einem Kieselstein ausbreiten, der in einen Teich fällt, und dass, wenn die Wellenfronten auf die Doppelschlitze treffen, die ursprüngliche Welle an den beiden Schlitzen durchkommt und es von da an zwei verschiedene Wellen gibt. Es war leicht herauszufinden, wie zwei Wellen interagieren würden, um die hellen und dunklen Bänder (oft "Fransen" genannt) auf dem Bildschirm zu erzeugen. Er sagte, er habe die Theorie, dass Licht Wellen sind, bewiesen.

Aber es gab große Probleme. Das Licht zeigte sich nicht auf der Leinwand in Form von Wellen, die über sie hinweggespült wurden. Licht wurde als Schwärme von Photonen verstanden, die einzeln auf den Detektionsschirm trafen. Und, sehr überraschend, konnte ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren, so als wäre es eine einzelne Welle, die der alten Wellenbeschreibung entsprach. Es spaltete sich am Doppelspaltgerät in zwei Wellen auf, die sich dann am Bildschirm vereinigten.

Gleiches Gerät, ein Schlitz offen vs. zwei Schlitze offen (beachten Sie die 16 Fransen.)
Gleiches Gerät, ein Schlitz offen vs. zwei Schlitze offen (beachten Sie die 16 Fransen.)

J ist der Abstand zwischen den Fransen. J = Dλ/B "D" = Abstand zwischen den Fransen. S2 bis F, λ = Wellenlänge, B = Dist. a bis b
J ist der Abstand zwischen den Fransen. J = Dλ/B "D" = Abstand zwischen den Fransen. S2 bis F, λ = Wellenlänge, B = Dist. a bis b

Bedeutung für die Physik

Das Doppelspaltexperiment wurde wegen seiner klaren Erklärung der zentralen Rätsel der Quantenmechanik zu einem klassischen Gedankenexperiment.

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