Welle-Teilchen-Dualismus
Unter dem Begriff Welle-Teilchen-Dualismus versteht man die Erkenntnis der Quantenmechanik, dass einerseits Wellen wie z.B. elektromagnetische oder mechanische Wellen auch Teilchencharakter und andererseits Teilchen wie z.B. Elektronen auch Wellencharakter haben.Dabei ist zu beachten, dass stets beide Charaktere vorhanden sind - also nicht umgeschaltet wird.
Table of contents |
2 Einstein und die Photonen des Lichts 3 De Broglie und der Wellencharakter von Teilchen |
Auf die Frage, ob Licht aus Teilchen oder Wellen besteht, hat man im Laufe der Jahre unterschiedliche Antworten gefunden: Newton entwickelte im 17. Jahrhundert die geometrische Optik unter der Annahme, das Licht bestehe aus Teilchen. Anfang des 19. Jahrhunderts zeigten aber Experimente von Young und Fresnel, dass Licht sich zur Interferenz bringen lässt, was ein eindeutiges Indiz für dessen Wellencharakter ist. Mit der Formulierung der Maxwellgleichungen Ende des 19. Jahrhunderts und der sich daraus ergebenden Existenz elektromagnetischer Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, war die Wellennatur des Lichtes allgemein anerkannt.
1905 postulierte Einstein nach Untersuchung des Photoeffektes wiederum, dass Licht (bzw. elektromagnetische Wellen) aus Teilchen (Quanten), den Photonen besteht. Diese Photonen führen in einzelnen und diskreten Portionen eine Energie E mit sich. Diese Phänomen nennt sich Quantisierung. Die Energie hängt von der Frequenz ν des Lichtes nach folgender Beziehung ab:
Diese Beziehung gilt auch für mechanische Wellen, z.B. für Gitterschwingungen in einem Festkörper. Die Teilchen werden dann Phononen genannt.
Dass auch massereiche Teilchen einen Wellencharakter haben, hat de Broglie 1924 erkannt. Hat das Teilchen einen Impuls p, so ist seine Wellenlänge λ durch folgende Beziehung bestimmt:
De Broglies Formel wurde drei Jahre später bestätigt, nachdem beobachtet wurde, dass Elektronen nach dem Durchgang durch ein Kristallgitter das vorhergesagte Interferenzmustermuster bilden.
Die Wellenfunktion der massereichen Teilchen ist komplexwertig, und ihre zeitliche Entwicklung wird durch die Schrödingergleichung beschrieben.
Der Wellencharakter der Teilchen zeigt sich nicht bei makroskopischen Gegenständen, was zwei prinzipielle Ursachen hat:
Die Wellennatur des Lichts
Einstein und die Photonen des Lichts
wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum ist.De Broglie und der Wellencharakter von Teilchen
Diese Gleichung umfasst auch die o.g. Einstein'sche Gleichung für Photonen, denn der Impuls eines Photons ist
und seine Wellenlänge
(c ist die Lichtgeschwindigkeit).
Siehe auch: Doppelspaltexperiment, klassische Wellen, klassische Teilchen
Welle-Teilchen-Dualismus