Wissenschaft

Wellen-Teilchen-Dualitätsdefinition

Die Welle-Teilchen-Dualität beschreibt die Eigenschaften von Photonen und subatomaren Teilchen, um Eigenschaften sowohl von Wellen als auch von Teilchen aufzuweisen. Die Welle-Teilchen-Dualität ist ein wichtiger Bestandteil der Quantenmechanik, da sie eine Erklärung dafür bietet, warum Konzepte von „Welle“ und „Teilchen“, die in der klassischen Mechanik funktionieren, das Verhalten von Quantenobjekten nicht abdecken . Die duale Natur des Lichts wurde nach 1905 akzeptiert, als Albert Einstein Licht in Form von Photonen beschrieb, die Eigenschaften von Teilchen zeigten, und dann seine berühmte Arbeit über die spezielle Relativitätstheorie vorstellte, in der Licht als Wellenfeld fungierte.

 

Teilchen, die eine Welle-Teilchen-Dualität aufweisen

Die Welle-Teilchen-Dualität wurde für Photonen (Licht), Elementarteilchen, Atome und Moleküle nachgewiesen. Die Welleneigenschaften größerer Partikel wie Moleküle weisen jedoch extrem kurze Wellenlängen auf und sind schwer zu erfassen und zu messen. Die klassische Mechanik reicht im Allgemeinen aus, um das Verhalten makroskopischer Einheiten zu beschreiben.

 

Beweis für die Welle-Teilchen-Dualität

Zahlreiche Experimente haben die Dualität von Welle und Teilchen bestätigt, aber es gibt einige spezifische frühe Experimente, die die Debatte darüber beendeten, ob Licht entweder aus Wellen oder aus Teilchen besteht:

Photoelektrischer Effekt – Licht verhält sich als Teilchen

Der photoelektrische Effekt ist das Phänomen, bei dem Metalle unter Lichteinwirkung Elektronen emittieren. Das Verhalten der Photoelektronen konnte mit der klassischen elektromagnetischen Theorie nicht erklärt werden. Heinrich Hertz bemerkte, dass das Bestrahlen von Elektroden mit ultraviolettem Licht deren Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Funken verbesserte (1887). Einstein (1905) erklärte den photoelektrischen Effekt als Ergebnis von Licht, das in diskreten quantisierten Paketen getragen wird. Robert Millikans Experiment (1921) bestätigte Einsteins Beschreibung und führte dazu, dass Einstein 1921 den Nobelpreis für „seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ und Millikan 1923 den Nobelpreis für „seine Arbeit über die elementare Ladung von Elektrizität und“ gewann auf den photoelektrischen Effekt „.

Davisson-Germer-Experiment – Licht verhält sich wie Wellen

Das Davisson-Germer-Experiment bestätigte die deBroglie-Hypothese und diente als Grundlage für die Formulierung der Quantenmechanik. Das Experiment wandte im Wesentlichen das Bragg-Beugungsgesetz auf Partikel an. Die experimentelle Vakuumvorrichtung maß die Elektronenenergien, die von der Oberfläche eines erhitzten Drahtfadens gestreut wurden und auf eine Nickelmetalloberfläche treffen konnten. Der Elektronenstrahl könnte gedreht werden, um den Effekt der Änderung des Winkels auf die gestreuten Elektronen zu messen. Die Forscher fanden heraus, dass die Intensität des gestreuten Strahls unter bestimmten Winkeln ihren Höhepunkt erreichte. Dies deutete auf ein Wellenverhalten hin und konnte durch Anwendung des Bragg-Gesetzes auf den Nickelkristallgitterabstand erklärt werden.

Thomas Youngs Doppelspaltexperiment

Das Doppelspaltexperiment von Young kann mit der Welle-Teilchen-Dualität erklärt werden. Das emittierte Licht bewegt sich als elektromagnetische Welle von seiner Quelle weg. Beim Auftreffen auf einen Spalt passiert die Welle den Spalt und teilt sich in zwei Wellenfronten, die sich überlappen. Beim Aufprall auf den Bildschirm „kollabiert“ das Wellenfeld zu einem einzigen Punkt und wird zu einem Photon.

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