Der Doppelspalt

Richard Feynman in seinem Buch "vom Wesen physikalischer Gesetze": Das Doppelspaltexperiment enthält das ganze Geheimnis der Quantenmechanik. Sämtliche Paradoxe, Geheimnisse und Absonderlichkeiten der Natur sind darin enthalten. Bei jeder x-beliebigen anderen Situation in der Quantenmechanik genügt dann der Hinweis: Sie erinnern sich an das Experiment mit den zwei Löchern".

Dieses Zitat zeigt, dass der Doppelspaltversuch gerade in der Schule bestens geeignet ist, die typischen Eigenschaften der Quantenphysik (Wesenszüge) zu erarbeiten und zu diskutieren. Hunderte von Büchern und anderen Veröffentlichungen sind zum Doppelspaltversuch geschrieben worden; daher soll der Sachverhalt selbst hier nicht  nochmals erörtert werden.

Vielmehr verweisen wir auf Unterrichtsmaterialien, die gut geeignet sind, dieses Thema mit Fakten und Simulation anzureichern.

Hervorragend geeignet  ist das Simulationsprogramm "Doppelspalt" von Klaus Muthsam. Man kann verschiedene Quantenobjekte wie z.B. Photonen, Elektronen, Neutronen, Atome auswählen, aber auch klassische Teilchen wie Farbtröpfchen oder Kugeln. Mit einer Lampe kann man den Quantenobjekten eine "welcher-Weg Information" aufprägen und die  Auswirkungen auf dem Schirm beobachten. Das Programm eignet sich vor allem für selbständiges Arbeiten am Computer, natürlich mit einer entsprechenden Arbeitsanweisung. Auf Wunsch bietet das Programm einen kompletten Lehrgang zum Thema "quantenmechanischer Doppelspaltversuch". 
Im Jahr 2000 zum 100-jährigen "Geburtstag" der Quantenphysik wurde von der Uni Bonn ein Demonstrationsversuch für die Öffentlichkeit aufgebaut, in dem die Interferenz von einzelnen Photonen am Doppelspalt bzw. Gitter in einem Realexperiment mit einer hochempfindlicher Kamera (mit Restlichtverstärker) beobachtbar war. Von diesem beeindruckenden Versuch entstand ein kurzer Film im avi-Format.

Photonen-Einzelbilder als Sequenz

Addition der Einzelbilder zur Interferenzfigur

IAnlässlich einer Fortbildung über Quantenphysik  entstand an der Universität Ulm, Abt. für theoretische Physik/Quantenphysik, eine Berechnung der  Y-Funktion für Elektronen am Doppelspalt. Die als Wahrscheinlichkeitsdichte zu interpretierende |Y|2 -Funktion wurde dabei grafisch dargestellt und zeigt die räumliche Entwicklung der Wellenfunktion hinter dem Doppelspalt. 

 

 

Bild links: räumliche Verteilung der |Y|2 -Funktion (für Elektronen) hinter einem Doppelspalt. Die "Säulenhöhe" ist ein Maß für die Antreffwahrscheinlichkeit eines Elektrons. In einigem Abstand hinter dem Doppelspalt interferieren die "Wellenpakete" und es bildet sich die bekannte Interferenzfigur aus.

Bild links: räumliche Verteilung der |Y|2 -Funktion (für Elektronen) hinter einem Doppelspalt mit "welcher-Weg-Information" (inkohärent). Die Wellenpakete interferieren nicht.
Kurzes Video i Form eines comic  über das Doppelspaltexperiment mit Elektronen in Form eines Comics (englischsprachig)

 

video ansehen   (mit Quick time player; mov) 

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Bild links: Ein Doppelspaltexperiment, das bei Hitachi/in Japan durchgeführt wurde. Der Detektor von Hamamatsu Photonics konnte einzelne Elektronen mit nahezu 100%-iger Sicherheit detektieren.

 

 

video von der Detektion einzelner Elektronen im hitachi-Experiment
 

 

Quelle: http://www.hqrd.hitachi.co.jp/em/doubleslit.cfm