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6. Das Photon Welle und Teilchen

6. Das Photon Welle und Teilchen. Huygens: (19. Jahrh.) Licht ist eine Welle. Newton: (18. Jahrh.) Licht sind kleine Teilchen. Das Photon: Teilchen/Welle. Schatten!. Teilchenbild erklärt: Photoelektrischen Effekt E = h  Hohlraumstrahlung (diskrete Strahler)

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6. Das Photon Welle und Teilchen

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  1. 6. Das Photon Welle und Teilchen Huygens: (19. Jahrh.) Licht ist eine Welle Newton: (18. Jahrh.) Licht sind kleine Teilchen

  2. Das Photon: Teilchen/Welle Schatten! • Teilchenbild erklärt: • Photoelektrischen EffektE = h  • Hohlraumstrahlung (diskrete Strahler) • ComptoneffektE = h , p=h/c • Wellenbild erklärt: • Interferenz • Beugung • Young Doppelspalt

  3. Thomas Young Doppelspalt (1801) Was beobachtet man?

  4. Einzelphotonen- detektor Helligkeitschwankungen Reduziere Intensität auf einzelne Photonen/sec http://www.quantum-physics.polytechnique.fr/en/index.html

  5. Verbindung Teilchen-Welle: Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden  Quadrat der Amplitude Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h ) Ebene Welle: Elektrische Feldstärke  cos(/2 t) Intensität  E2

  6. Intensität  E2 Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen • Fragen: • Wenn nur 1 Teilchen unterwegs ist, was interferiert da? • Zurückverfolgen der Photonen: durch welchen Schlitz? • Wie kommen die Photonen in den Schatten? • Impulserhaltung: wo kommt der Tranversalimpuls her?

  7. Doppelspalt: Was passiert, wenn man eine Seite zuhält?

  8. Doppelspalt: Was passiert, wenn man eine Seite zuhält? Schliesse 1 Schlitz NACHDEM das Teilchen amittiert wurde:

  9. Delayed Choice: Interferenz z.B. Auslöschung

  10. Delayed Choice: Schalte Spiegel aus NACHDEM der Puls durch den Teiler ist Keine Interferenz!

  11. Bahnen von Teilchen sind eine klassiche Vorstellung Klassisch: Impuls und Ort jederzeit genau bestimmt QM: Heisenbergsche Unschärferelation x px  ħ

  12. Klassische Bahn eines Teilchen QM Px=mdx/dt Ort x Ort x Zeit Zeit Punkt im Phasenraum zu einem Zeitpunkt Ort x Ort x t2 t3 t1 Impuls px Impuls px t als Parameter Impuls ist NICHT dx/dt Da wenn x scharf p unscharf Vorhersage unscharf x px  ħ

  13. Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung Ekin >eUwork e- e- e- Spezielle Beschichtung für niedrige Austrittsarbeit hilft 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Thermische Emission • Standard Verfahren: • Fernsehröhren • Oszilloskopröhren

  14. h e- e- e- 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Photoeffekt an Metalloberflächen Emax= h- eUwork

  15. e- e- e- e- 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen

  16. 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen Anwendung in Photonen, Ionen und Elektronendetektoren

  17. 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons Klassische Elektronenradius: Kugelkondensator: Ruheenergie = Elektrostatische Energie r=2.8 10-15m Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt

  18. 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons Elektron ist ein Punktteilchen! Elektron-Elektron Streuung <10-18 m (1/1000 proton) Klassische Elektronenradius: Kugelkondensator: Ruheenergie = Elektrostatischer Energie r=2.8 10-15m Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt

  19. 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons 7.3. Ladung des Elektrons Phys.Rev. 2, 109(1913)

  20. Prinzip des Millikan Öltröpfchen Versuchs + + + + + + + + + + + + + n*e*E + - m*g - - - - - - - - - - - - - - -

  21. Flüssikeitsmantel zur Temperaturstabilisierung(Viskosität ist temperaturabhngig) Ölzerstäuber Röntgenröhre zum Ionisieren Beleuchtung Messe: Steiggeschwindigkeit (Ladung, Radius, Viskosität) Fallgeschwindigkeit (Radius, Viskosität)

  22. Noch heute verwendete Methode Elementarladung: 1.6021773 10-19 Coulomb Es gibt keine freien Teilchen mit nichtganzzahligen Vielfachen Quarks 1/3 2/3 Ladung Andere Methoden: z.B. Elektronen abzählen

  23. Physikalisch Technische Bundesanstalt: „Pumpe“ für einzelne Elektronen gekühlt! http://www.ptb.de/de/org/2/24/242/r-pump-deu.htm

  24. 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons 7.3. Ladung des Elektrons 7.4. Spezifische Ladung e/m Bestimmung  1,7589 · 108 C/g • Massenspektrometer • Fallen (über Frequenzmessung) e/m Geschwindigkeitsabhängig! Relativistische Massenzunahme schon vor der speziellen Relativitätstheorie entdeckt m = m0 / 1-v2/c2 1keV v/c=0.063 4*10-3 Masse 1MeV v/c=0.942 m=3m0

  25. Ruhemasse des Elektrons: 9,1091 · 10-28 g

  26. 8 Teilchen als Wellen Louis de Broglie had the boldness to maintain that not all the properties of matter can be explained by the theory that it consists of corpuscles (C.W. Oseen bei der Würdigung de Broglies zur Verleihung des Nobelpreises) 1924: De Broglie Wellenlänge eines Teilchens:  = h/p = h/ 2m0Ekin Einstein (1905), Annalen der Physik 17, 132: für Photonen

  27. 8 Teilchen als Wellen 1924: De Broglie Wellenlänge eines Teilchens:  = h/p = h/ 2m0Ekin Beispiel 1: 100 g Ball, 100 km/h 2*10-34 m Beispiel 2: Elektron 100eV 1.2*10-10 m vgl: Atom 10-10 m, Kern 10-15m

  28. 8 Teilchen als Wellen 8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle d d*sin() Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz: 2d sin() = m *  Wellenlänge Gitterabstand Ganze Zahl Bragg Reflektion von Elektronen:

  29. 8 Teilchen als Wellen 8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle Heizdraht (Elektronenquelle) Nickel Oberfläche Spannung -> Elektronenenergie Elektronennachweis

  30. Davisson Germer Experiment (1927) Bragg Reflektion von Elektronen:

  31. Vakuumröhre Davisson Germer Experiment (1927) • Nickeloberfläche muss “gut” sein • Vakuum für Elektronenausbreitung

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