Drei Demonstrationsexperimente zum Dualismus

Schulversuche zum Dualismus des Lichts
Christian Vogl, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik (ETAP)
Der Dualismus des Lichts ist eines der grundlegenden Phänomene zum Verständnis der
gesamten Quantenphysik. Aus diesem Grund nimmt dieser Themenbereich im Lehrplan der
Oberstufenphysik einen zentralen Platz ein. Die einzelnen Charakteristika des Lichts können
durch einfache Schulexperimente den Schülerinnen und Schülern veranschaulicht werden.
Probleme gibt es bei geeigneten Experimenten, die den Dualismus des Lichts in einem
Experiment und möglichst gleichzeitig veranschaulichen sollen. Diese Experimente sind in
der Schule fast immer nur als Gedankenexperimente durchführbar. Viele Schülerinnen und
Schüler brauchen aber gerade die Visualisierung im realen Experiment, um die Komplexität
dieses Themenbereiches verstehen zu können.
Basierend auf einer Ausstellungsarbeit zum „Jahr der Physik 2000“ des Instituts für
angewandte Physik an der Universität Bonn [1] wird neben zwei bekannten Experimenten zu
den Charakteristika von Licht ein drittes Experiment vorgestellt, welches die beiden
Charaktere von Licht gleichzeitig veranschaulicht. Grundlage aller drei Experimente ist ein
einfaches Lasermodul.
Um den Teilchencharakter des Lichts zu veranschaulichen wird im ersten Versuch der
Laserstrahl durch neutrale Graufilter soweit abgeschwächt, dass ein Photomultiplier einzelne
Photonen registrieren kann und diese mit Hilfe der dazugehörigen Elektronik hörbar gemacht
werden können. Das Knacken der Aktiv-Boxen erinnert intuitiv an Geiger-Müller-Zähler. Der
Laserstrahl kann vom Betrachter durch Blenden unterbrochen werden. Da dann das Knacken
verschwindet, kann nur das Laserlicht Auslöser des Knackens sein.
Der zweite Versuch ist der klassische Doppelspaltversuch. Zur besseren Sichtbarkeit des
Interferenzmusters wird zusätzlich eine Linse zwischen Doppelspalt und Schirm in den
Strahlengang gestellt. Das Interferenzbild ist charakteristisch für Wellenphänomene in der
Physik.
Der dritte Versuch verbindet beide Charaktere des Lichts. Wiederum wird das Lasermodul
verwendet und sein Licht mit Hilfe von Graufiltern abgeschwächt. Mit diesem
abgeschwächten Licht wird das bereits bekannte Doppelspalt-Experiment durchgeführt. Statt
des Schirmes, auf dem wegen der Abschwächung nichts zu sehen wäre, wird nun eine CCDKamera verwendet. Diese CCD-Kamera ist aufgrund des eingebauten Bildverstärkers in der
Lage die Auftreffpunkte der einzelnen Photonen auf einem PC-Bildschirm anzuzeigen. Es
entsteht wiederum das bekannte Interferenzmuster, allerdings kann man bei stark
verlangsamtem Abspielen des Filmes erkennen, dass dieses Muster aus einzelnen
Photonentreffern aufgebaut ist. Das heißt einzelne Teilchen erzeugen im Gesamten gesehen
ein Muster, welches charakteristisch für Wellenphänomene ist. Der Dualismus von Licht wird
deutlich. Ferner zeigt sich beim langsamen Abspielen des Filmes, dass man keine sichere
Vorhersage über den Auftreffpunkt des nächsten Photons treffen kann. Hier könnte im
Unterricht ein Einstieg in die stochastischen Aspekte der Quantenmechanik erfolgen.
Die drei Versuche werden primär für die Lehramtskandidatenausbildung an der Johannes
Gutenberg-Universität Mainz verwendet. Sie stellen eine neue experimentelle Möglichkeit
zum schulischen Einstieg in die Quantenphysik dar. Aufgrund der Konstruktion (Tische mit
Rollen, Versuchsaufbau unter abnehmbaren Plexiglashauben) können und sollen sie ohne
Probleme auch von Schulen zum Einsatz im Unterricht ausgeliehen werden. Ebenso können
Schulklassen und Physikkurse die Universität besuchen, um hier mit den Experimenten zu
arbeiten.
Literatur:
[1] A.Weis, R.Wynands: Three demonstration experiments on the wave and particle nature of light,
Institut für angewandte Physik, Universität Bonn