Niederenergetische Elektronen: Eine ausgeprägtere Wellennatur
1 · Vorhersagen
Ein sich langsam bewegendes Elektron hat eine längere de Broglie-Wellenlänge als ein schnelles. Bedeutet das, dass die Wellennatur eines langsamen Elektrons experimentell leichter oder schwerer zu beobachten ist?
- Bei langsamen Elektronen ist es schwieriger zu beobachten.
- Einfacher – eine längere Wellenlänge (vergleichbar mit Atomabständen oder Spaltgrößen) macht Beugungs- und Interferenzeffekte ausgeprägter und erkennbarer.
- Welleneffekte hängen nicht von der Wellenlänge des Elektrons ab.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset für langsame Elektronenwellen und drücken Sie Zurücksetzen. Diese Elektronen bewegen sich viel langsamer als im Electron-De-Broglie-Experiment.
- Aktivieren Sie die De-Broglie-Wellenlängenanzeige.
- Stellen Sie die (niedrige) kinetische Energie des Elektrons für jeden Versuch ein und notieren Sie seine De-Broglie-Wellenlänge.
3 · Daten sammeln
| Kinetische Energie K (eV) | De-Broglie-Wellenlänge λ (pm) |
|---|---|
| 5.00 | |
| 10.00 | |
| 20.00 |
Tragen Sie die Wellenlänge λ (y-Achse) gegen 1/√K (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf. Vergleichen Sie die Skala dieser Wellenlängen mit der des Electron-De-Broglie-Experiments.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch λ = h/√(2m_eK) unter Verwendung von K im Bereich 5-20 eV. Vergleichen Sie mit der Tabelle – beachten Sie, dass diese Wellenlängen (Hunderte von Mikrometern) länger sind als die des Elektronen-De-Broglie-Experiments mit höherer Energie.
- Erklären Sie anhand von λ = h/p, warum eine Verringerung der kinetischen Energie (Verringerung des Impulses) stets die De-Broglie-Wellenlänge vergrößert.
5 · Vertiefen
- Das 1927 Davisson-Germer-Experiment streute langsame Elektronen (ähnliche Energien wie dieses Experiment, mehrere zehn eV) an einem Nickelkristall und beobachtete ein Beugungsmuster, das genau der vorhergesagten de Broglie-Wellenlänge entsprach – die erste direkte experimentelle Bestätigung von Materiewellen. Erklären Sie, warum langsame Elektronen (mit Wellenlängen, die mit dem Atomabstand in einem Kristall vergleichbar sind) die richtige Wahl für dieses Experiment waren.
- Techniken wie die Laserkühlung können Atome auf extrem niedrige kinetische Energien verlangsamen und ihnen De-Broglie-Wellenlängen verleihen, die groß genug sind, um auffällige Quantenwelleneffekte (wie Bose-Einstein-Kondensate) zu beobachten. Erklären Sie das allgemeine Prinzip, das „kälter“ mit „wellenartiger“ verbindet.
Die Physik hinter diesem Experiment
De-Broglie-Wellenlänge bei niedriger Energie
Da λ = h/√(2mK), erhöht die Verringerung der kinetischen Energie eines Elektrons seine De-Broglie-Wellenlänge – langsame, „kalte“ Teilchen haben das ausgeprägteste und am einfachsten zu beobachtende Wellenverhalten.