Teilchen und Wellen Einleitung

Welle-Teilchen-Dualismus

Am Anfang der Quantenmechanik steht die Beobachtung, dass sich Licht bei manchen Experimenten so verhält, als ob es eine Welle wäre, bei anderen Experimenten so, als ob es aus Elementarteilchen (Photonen) bestünde.

Bald hat man erkannt, dass sich die Bewegung aller Elementarteilchen so vollzieht, dass unter gewissen Bedingungen Welleneigenschaften (Wellenlänge, Frequenz) sichtbar werden, unter anderen Bedingungen aber die Teilcheneigenschaften (Impuls, Energie) in den Vordergrund treten.

Je nach Natur der Teilchen ist es schwieriger, bei ihrer Bewegung die Teilcheneigenschaften oder die Welleneigenschaften nachzuweisen. Daher hat man in der klassischen Physik bei Photonenstrahlen zuerst die Welleneigenschaften entdeckt, bei Elektronenstrahlen jedoch zuerst die Teilcheneigenschaften.

Tatsächlich kann man sowohl bei Photonen als auch bei Elektronen folgendes Verhalten beobachten:

• Sie treten einzeln immer als Teilchen auf. Sie sind punktförmig, dh. wenn sie einzeln wo auftreffen, dann immer an einer bestimmten Stelle und nicht irgendwie verteilt wie eine Welle. Man kann ihre Geschwindigkeit und ihren Impuls messen. Beim Aufschlag übertragen sie Energie auf das getroffene Ziel.
• Ihre Bewegung folgt jedoch den Ausbreitungsgesetzen einer Welle, denn die örtliche Verteilung der Teilchen zeigt Interferenzerscheinungen.

Kapitelübersicht

Zunächst wiederholen wir einige Grundbegriffe zum Thema Wellen, und zeigen dann, wie man Teilchenstrahlen beschreibt.

Das wichtigste Experiment, das den Wellencharakter eines Teilchenstrahls nachweisen kann, ist das Doppelspaltexperiment. Es dient zur Feststellung von Interferenz, also einer typischen Welleneigenschaft. Wir werden es ziemlich ausführlich behandeln.

Dann stellt sich die Frage, wie wir die Ergebnisse unserer Beobachtungen mathematisch beschreiben können. Wir werden die Bewegung von Teilchen in einem Teilchenstrahl durch eine Welle beschreiben, die allerdings etwas komplizierter Eigenschaften hat, als üblich (die Wellengröße muß zweidimensional sein).

Um auch komplizierte Situationen darstellen zu können, wählen wir Farben, um diese Welleneigenschaften zu visualisieren.