Experimente zum Welle-Teilchen-Dualismus

Beugung von Elektronen an einer Graphitfolie

In diesem Versuch betrachten wir die Beugung von Elektronen an polykristallinem Graphit. Die freien Elektronen werden per Glühemission erzeugt, durch eine variable Hochspannung beschleunigt und abschließend an einer dünnen Graphitfolie gebeugt. Das Experiment wird in einem evakuierten Glaskolben durchgeführt, damit die mittlere freie Weglänge der Elektronen ausreichend groß ist.

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Fotoeffekt an einem Zink-Blech

In diesem Versuch wird ein Zink-Blech, das auf ein Elektroskop aufgesteckt ist, über die Influenzmaschine aufgeladen. Nach dem Aufladen wird das Zink-Blech mit Licht aus einer Kohlebogenlampe bestrahlt. Wir können beobachten, dass abhängig von der Ladungssorte auf dem Zink-Blech, die Ladung während der Bestrahlung mit Licht entweder erhalten bleibt (positiv geladenes Blech), oder aber dass sich das Blech entlädt (negativ geladenes Blech).

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Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums über den Fotoeffekt

In diesem Experiment wird der Fotoeffekt verwendet, um das Plancksche Wirkungsquantum zu bestimmen. Eine Kathode aus Kalium wird dabei von LED-Licht verschiedener Wellenlängen beleuchtet. Der dadurch entstehende Fotostrom zwischen Kalium-Kathode und dem Anodenring aus einer Platin-Rhodium-Legierung wird über eine Gegenspannung kompensiert, so dass er auf Null abfällt. Trägt man die Gegenspannung über der Frequenz des Lichts auf, so erhält man theoretisch eine Gerade, aus deren Steigung das Plancksche Wirkungsquantum berechnet werden kann.

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der Teilchencharakter des Lichts

Der Compton-Effekt ist ein zentrales Beispiel für den Teilchencharakter des Lichts. Dabei werden Photonen im Röntgenenergiebereich an fast freien Elektronen gestreut. Die Photonen werden bei einem solchen Streuprozess abgelenkt. Aufgrund von Energie- und Impulserhaltung ändern sich dabei ihre Frequenz. Diese Frequenzverschiebung kann in Abhängigkeit des Streuwinkels gemessen werden. Aus den Messwerten lässt sich auf die Energie der Photonen vor dem Stoß und auf die Ruhemasse des Elektrons schließen.

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Interferenz von einzelnen Photonen

Dieser Versuch zur Einzelphotoninterferenz basiert auf einem Doppelspaltexperiment mit einer extrem stark gedimmten Glühbirne. Als Detektor dient eine Photodiode mit vorgeschaltetem Photomultiplier für einzelne Photonen. Das Doppelspaltinterferenzmuster kann selbst dann beobachtet werden, wenn die Photonen einzeln auf den Detektor treffen. Die Ausgabe in diesem Experiment ist allerdings nicht visuell. Vielmehr kann das Auftreffen einzelner Photon auf den Detektor hörbar gemacht werden. Durch einen verschiebbaren Spalt, der vor dem Detektor angebracht ist, wird das Interferenzmuster abgerastert.

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klassisches Analogon zum Quantenradierer

Als Analogon zu einem Quantenradierer betrachten wir ein Doppelspaltexperiment, bei dem jeder der beiden Doppelspalte mit einem eigenen Polarisationfilter ausgestattet ist. Als Lichtquelle dient ein Laser. Zwischen Laser und Doppelspaltanordnung befindet sich ein weiteres Polarisationsfilter, um das einlaufende Licht gezielt polarisieren zu können. Das Interferenzmuster kann auf einem Schirm beobachtet werden. Zwischen Doppelspaltanordnung und Schirm kann erneut ein Polarisationfilter eingebracht werden, das im Experiment den Vorgang des Quantenradierens verdeutlicht.

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