Post on 05-Apr-2015
6. Das Photon Welle und Teilchen
Huygens: (19. Jahrh.)Licht ist eine Welle
Newton: (18. Jahrh.)Licht sind kleine Teilchen
Teilchenbild erklärt:
•Photoelektrischen Effekt E = h
•Hohlraumstrahlung (diskrete Strahler)
•Comptoneffekt E = h , p=h/c
Schatten!
Das Photon: Teilchen/Welle
Wellenbild erklärt:
•Interferenz•Beugung
•Young Doppelspalt
Thomas YoungDoppelspalt (1801)
Was beobachtet man?
Helligkeitschwankungen
http://www.quantum-physics.polytechnique.fr/en/index.html
Einzelphotonen-detektor
Reduziere Intensitätauf einzelne Photonen/sec
Verbindung Teilchen-Welle:
Ebene Welle: Elektrische Feldstärke cos(/2 t) Intensität E2
Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h )
Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden
Quadrat der Amplitude
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?
Doppelspalt: Was passiert, wenn man eine Seite zuhält?
Doppelspalt: Was passiert, wenn man eine Seite zuhält?
Schliesse 1 Schlitz NACHDEM das Teilchen amittiert wurde:
Delayed Choice:
Interferenzz.B. Auslöschung
Delayed Choice:
Schalte Spiegel aus NACHDEM der Puls durch
den Teiler istKeine Interferenz!
Bahnen von Teilchen sind eine klassiche Vorstellung
Klassisch: Impuls und Ort jederzeit genau bestimmt
QM: Heisenbergsche Unschärferelation x px ħ
Zeit
Ort
xKlassische Bahn eines Teilchen
Px=mdx/dt
Impuls px
Ort
x
Punkt im Phasenraum
zu einem Zeitpunkt
QM
t als Parameter
t1
t2 t3
Impuls px
Ort
x
x px ħ
Impuls ist NICHT dx/dtDa wenn x scharf p unscharf
Vorhersage unscharf
Zeit
Ort
x
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen
Thermische Emission
e-
e-
e-
BoltzmannGeschwindigkeitsverteilung
Spezielle Beschichtungfür niedrige Austrittsarbeit hilft
Standard Verfahren:
•Fernsehröhren
•Oszilloskopröhren
Ekin > eUwork
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen
Photoeffekt an Metalloberflächen
e-
e-
e-
h
Emax= h- eUwork
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen
Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen
e-
e-
e-
e-
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen
Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen
Anwendung in Photonen, Ionen und Elektronendetektoren
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen7.2. Größe des Elektrons
Klassische Elektronenradius:
Kugelkondensator:Ruheenergie = Elektrostatische Energie
r=2.8 10-15m
Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen7.2. Größe des Elektrons
Klassische Elektronenradius:
Kugelkondensator:Ruheenergie = Elektrostatischer Energie
r=2.8 10-15m
Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt
Elektron ist ein Punktteilchen!
Elektron-Elektron Streuung
<10-18 m (1/1000 proton)
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen7.2. Größe des Elektrons7.3. Ladung des Elektrons
Phys.Rev. 2, 109(1913)
Prinzip des Millikan Öltröpfchen Versuchs
- - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + +
+
--
n*e*E
m*g
Flüssikeitsmantelzur
Temperaturstabilisierung(Viskosität ist
temperaturabhngig)
Röntgenröhrezum Ionisieren
Ölzerstäuber
Beleuchtung
Messe: Steiggeschwindigkeit (Ladung, Radius, Viskosität)Fallgeschwindigkeit (Radius, Viskosität)
Noch heute verwendete Methode
Elementarladung: 1.6021773 10-19 Coulomb
Andere Methoden: z.B. Elektronen abzählen
Es gibt keine freien Teilchen mit nichtganzzahligen Vielfachen
Quarks 1/3 2/3 Ladung
http://www.ptb.de/de/org/2/24/242/r-pump-deu.htm
Physikalisch Technische Bundesanstalt:
„Pumpe“ für einzelne Elektronen
gekühlt!
7. Das Elektron7.1 Erzeugung von Elektronen7.2. Größe des Elektrons7.3. Ladung des Elektrons7.4. Spezifische Ladung
e/m Bestimmung
•Massenspektrometer•Fallen (über Frequenzmessung)
e/m Geschwindigkeitsabhängig!Relativistische Massenzunahmeschon vor der speziellen Relativitätstheorie entdeckt
m = m0 / 1-v2/c2
1keV v/c=0.063 4*10-3 Masse1MeV v/c=0.942 m=3m0
1,7589 · 108 C/g
Ruhemasse des Elektrons:
9,1091 · 10-28 g
8 Teilchen als Wellen
1924: De Broglie Wellenlänge eines Teilchens:
= h/p = h/ 2m0Ekin
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)
Einstein (1905), Annalen der Physik 17, 132:für Photonen
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
vgl: Atom 10-10 m, Kern 10-15m
Beispiel 2:
Elektron 100eV
1.2*10-10 m
Bragg Reflektion von Elektronen:
Ganze Zahl
d*sin()
d
Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz:
2d sin() = m *
Gitterabstand
Wellenlänge
8 Teilchen als Wellen8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle
Nickel Oberfläche
Heizdraht(Elektronenquelle)
Spannung ->Elektronenenergie
Elektronennachweis
8 Teilchen als Wellen8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle
Davisson Germer Experiment (1927)
Bragg Reflektion von Elektronen:
Davisson Germer Experiment (1927)
Vakuumröhre
•Nickeloberfläche muss “gut” sein•Vakuum für Elektronenausbreitung