Elektronen-Doppelspaltinterferenz
1 · Vorhersagen
Elektronen, die nacheinander durch zwei schmale Spalte geschossen werden, bauen auf einem Schirm ein Interferenzmuster auf, genau wie Lichtwellen. Erzeugt ein schnelleres Elektron (kürzere de-Broglie-Wellenlänge) breitere oder schmalere Interferenzstreifen?
- Schmalere Streifen – der Streifenabstand ist proportional zur Wellenlänge und schnellere Elektronen haben kürzere Wellenlängen.
- Breitere Streifen für schnellere Elektronen.
- Der Streifenabstand hängt nicht von der Elektronengeschwindigkeit ab.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie das Preset „Elektronen-Doppelspalt“ und drücken Sie Zurücksetzen. Spaltabstand = 100 nm, Schirmabstand = 50 cm.
- Aktivieren Sie die Anzeige der De-Broglie-Wellenlänge und des Streifenabstands.
- Stellen Sie die kinetische Energie des Elektrons für jeden Versuch ein und zeichnen Sie den Abstand der Interferenzstreifen auf dem Bildschirm auf.
3 · Daten sammeln
| Kinetische Energie K (eV) | De-Broglie-Wellenlänge λ (pm) | Streifenabstand y (cm) |
|---|---|---|
| 100.00 | ||
| 150.00 | ||
| 200.00 |
Zeichnen Sie für Ihre drei Versuche den Streifenabstand y (y-Achse) gegen die Wellenlänge λ (x-Achse) auf. Geht die Linie gerade durch den Ursprung?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch λ = h/√(2m_eK) und dann den Streifenabstand y = λL/d unter Verwendung des Schirmabstands L = 50 cm und des Spaltabstands d = 100 nm. Vergleichen Sie beides mit der Tabelle.
- Erklären Sie, warum dies genau die gleiche Doppelspaltstreifenformel ist, die auch für Licht verwendet wird. Wenn Sie akzeptieren, dass Elektronen eine Wellenlänge haben, folgt ihr Interferenzmuster der identischen Wellenmathematik.
5 · Vertiefen
- Erklären Sie, warum dies die Vorstellung ausschließt, dass Elektronen einfach miteinander interferieren, und stattdessen darauf hindeutet, dass jedes Elektron irgendwie mit sich selbst interferiert.
- Wenn Sie einen Detektor einrichten, um zu bestimmen, durch welchen Spalt jedes Elektron tatsächlich gegangen ist, verschwindet das Interferenzmuster – Sie erhalten stattdessen zwei einfache Bänder. Warum könnte die Messung des Pfades die Welleninterferenz grundlegend zerstören?
Die Physik hinter diesem Experiment
De-Broglie-Wellenlänge
Ein Elektron mit Impuls p verhält sich wie eine Welle mit der Wellenlänge λ = h/p = h/√(2mK) — genau diese Wellenlänge legt danach das Interferenzmuster fest. Wie beim Licht erzeugen zwei kohärente Quellen mit Abstand d Streifen im Abstand y = λL/d auf einem Schirm im Abstand L; ein schnelleres (höheres K) Elektron hat eine kürzere λ und damit enger liegende Streifen.
Moderne Physik
- Der photoelektrische Effekt: Eine scharfe Energieschwelle
- Der photoelektrische Effekt: Stopppotential
- Eine echte Fotozelle: Die Arbeitsfunktion von Natrium
- Compton-Streuung: Wellenlängenverschiebung bei 90°
- Compton-Streuung: Maximale Verschiebung bei Rückstreuung
- Compton-Streuung: Ein Flachwinkelvergleich
- Die Balmer-Serie: Sichtbare Wasserstoff-Spektrallinien
- Die Lyman-Serie: Ultraviolette Wasserstofflinien
- Die Paschen-Serie: Infrarot-Wasserstofflinien
- Radioaktiver Zerfall: Kohlenstoff-14-Datierung
- Medizinische Radioisotope: Die kurze Halbwertszeit von Technetium-99m
- Kernbindungsenergie: Das Flüssigkeitstropfenmodell