Quantenphysik 06 (Elektronenbeugung)

9.6 Elektronenbeugung
Durch die physikalischen Experimente der Quantenmechanik wurde im 20. Jahrhundert deutlich,
dass das Licht neben den Eigenschaften einer Welle auch die Eigenschaften von Teilchen besitzt.
Beide Modellvorstellungen, sowohl die der Welle, als auch des Teilchens existieren völlig
gleichberechtigt nebeneinander und beschreiben jeweils unterschiedliche Charakteristika des Lichts
(Kolpuskel-Welle-Dualismus).
[47] De Broglie
In den Jahren nach dem ersten Weltkrieg studierte der französische Adelige Louis de Broglie die
Theorien von Planck und Einstein zu diesem Thema und entwickelte eigene Experimente zur
Untersuchung des Korpuskel-Welle-Dualismus. So reichte De Broglie im November 1924 seine
berühmte Doktorarbeit "Recherches sur la Théorie des Quanta" an der alten Pariser Universität
Sorbonne ein, in der er derart bedeutende physikalische Erkenntnisse über die Natur von
Elementarteilchen veröffentlichte, dass er im Jahr 1929 für seine Entdeckungen den Nobelpreis für
Physik erhielt.
In seinen Experimenten konzentrierte sich De Broglie nicht, wie bisher in der Quantenmechanik
üblich auf die Natur des Lichts, sondern untersuchte die Eigenschaften von Elektronenstrahlen. Wie
im Kapitel zu elektrischen Feldern beschrieben können Elektronen in einer Elektronenstrahlröhre
(Kathodenstrahlröhre) freigesetzt und zu einem Elektronenstrahl gebündelt werden. In einem
Experiment richtete De Broglie einen fokussierten Elektronenstrahl auf eine dünne Graphitfolie.
© M.Brennscheidt
Auf einem Leuchtschirm hinter der Graphitfolie konnte ein Interferenzmuster aus konzentrischen
Ringen beobachtet werden, wie es bereits von der Interferenz von Lichtwellen an kreisförmigen
Öffnungen bekannt ist. Weitere Experimente mit anderen Materialien lieferten ähnliche Ergebnisse.
[48] Röntgenbeugung
[49] Elektronenbeugung
Die obige Abbildung zeigt zum Beispiel das Interferenzmuster von Röntgenstrahlen, also
hochenergetischem Licht und einem Elektronenstrahl beim passieren einer Aluminiumfolie. In beiden
Fällen entsteht ein verblüffend ähnliches Interferenzmuster.
Hieraus kann geschlossen werden, dass auch Elektronen, die in den bisherigen Modellen immer als
Elementarteilchen betrachtet wurden, Welleneigenschaften besitzen. Das Ergebnis von De Broglies
Experimenten zeigt also eindrucksvoll, dass nicht nur das Licht sowohl Wellen- als auch
Teilcheneigenschaften besitzt, sondern dass auch Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen,
Neutronen,… sowohl Teilchen-, als auch Welleneigenschaften besitzen. Genau wie man Licht mit
Hilfe der Gleichung
einen Impuls, also eine Teilcheneigenschaft zuordnen kann, kann auch Teilchen durch Umstellen der
obigen Gleichung eine Wellenlänge, also eine Welleneigenschaft zugeordnet werden.
Diese Wellenlänge wird nach ihrem Entdecker de Broglie-Wellenlänge genannt. Sie ist je nach
Geschwindigkeit und Masse der Teilchen unterschiedlich, liegt jedoch für schnelle Elektronen in der
Größenordnung von
.
© M.Brennscheidt
(Anmerkung: Theoretisch ist es möglich jedem Körper eine De-Broglie-Wellenlänge zuzuordnen.
Aufgrund der enormen Masse von makroskopischen Körpern wird der Impuls der Körper im Vergleich
zu Elementarteilchen jedoch so groß, dass die Wellenlänge gegen Null geht und somit nicht
beobachtet werden kann.)
© M.Brennscheidt