Materialien zum Unterricht

Myas Welt der Physik: Elli schlägt Wellen – Quantenobjekte im atomaren Bereich

Seit der Sache mit den Photonen ist Theo, der Theoretiker, vorsichtig geworden. „Gut, Licht besteht aus Portionen“, gibt er zu. „Aber Elektronen sind wenigstens anständige kleine Kugeln.“ Da räuspert sich jemand ganz in der Nähe: Elli, ein Elektron. „Kugel? Na ja. Kommt drauf an, wie man mich behandelt.“ Paul, der Praktiker, hat aus dem Schulkeller eine verstaubte Elektronenbeugungsröhre geholt, und Mya erzählt von einem Prinzen: Louis de Broglie behauptete 1924 in seiner Doktorarbeit, dass auch Materie eine Wellenlänge hat. Die Prüfer verstanden die Arbeit nicht und fragten zur Sicherheit Einstein. Der fand sie großartig. Kater Erwin will sofort wissen, ob er auch eine Welle ist. Er ist es, nur leider viel zu wenig. Außerdem dabei: Bucky, ein Fußballmolekül aus 60 Kohlenstoffatomen, das findet, dass auch Große mal Welle sein dürfen.

Physik Leistungskurs, Thema Quantenobjekte: De-Broglie-Wellenlänge λ = h / p, Elektronenbeugung am Graphitkristall, Interferenz von Elektronen, Neutronen und Molekülen am Doppelspalt. Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Gerechnet wird mit den Gitterabständen von Graphit, den Maßen einer üblichen Schul-Beugungsröhre und den Daten berühmter Experimente (Jönsson 1961, Zeilinger 1988, Arndt 1999). Vorher sinnvoll: Photonen als Quantenobjekte, Elektronenstrahlröhre und Beugung und Interferenz.

Station 1: Wie wellig bist du? – die De-Broglie-Wellenlänge

De Broglie übertrug die Formel für den Photonenimpuls einfach auf Materie: Jedes Objekt mit dem Impuls p = m · v hat die Wellenlänge λ = h / p. Ob man davon etwas merkt, hängt davon ab, wie λ im Vergleich zu den Spalten, Gittern oder Hindernissen ist, an denen das Objekt vorbeikommt. Wähle ein Objekt und gib ihm Schwung. Das Lineal unten reicht über 33 Zehnerpotenzen.

Geschwindigkeit–
Impuls–
De-Broglie-Wellenlänge–
im Vergleich–
Wer fliegt?
Beschleunigungsspannung
–

Aufträge: ① Welche Spannung braucht Elli, damit ihre Wellenlänge so groß ist wie ein Atom (rund 10−10 m)? ② Vergleiche Elli und ein Neutron bei gleicher Geschwindigkeit. Wer ist welliger, und um welchen Faktor? ③ Berechne die Wellenlänge von Erwin beim Sprint. Warum wird Erwin an der Katzenklappe nicht gebeugt? ④ Ab welcher Spannung weicht die klassische Rechnung für Elli um mehr als 1 % von der relativistischen ab?

Station 2: Pauls Kellerfund – die Elektronenbeugungsröhre

In der Röhre werden Elektronen mit einigen Kilovolt beschleunigt und durch eine hauchdünne Graphitfolie geschossen. Graphit besteht aus winzigen Kristallen, deren Atomebenen wie ein Gitter wirken. Elektronen werden nur dorthin gestreut, wo die Wellen aus vielen Ebenen sich verstärken: Es gilt die Bragg-Bedingung 2 · d · sin ϑ = λ. Weil die Kriställchen in allen Richtungen liegen, entstehen auf dem Leuchtschirm zwei Ringe, für die Netzebenenabstände d1 = 0,213 nm und d2 = 0,123 nm. Abstand Folie–Schirm: L = 13,5 cm.

Spannung U–
Wellenlänge λ–
Messkreis D–
Messungen0

Messtabelle

Nr.U in kVλ in pmRingD in mmd = 2Lλ/D in nm

Noch keine Messung. Lege den Messkreis genau auf einen Ring und tippe auf „Ring notieren“.

Röhre
4,0 kV
Pauls Messkreis
20,0 mm

Aufträge: ① Erhöhe die Spannung. Was passiert mit den Ringen, und warum? ② Miss bei mindestens vier Spannungen beide Ringdurchmesser. Zeige mit dem Diagramm: D ~ 1/√U. ③ Berechne aus deinen Messwerten die Netzebenenabstände. Tipp für kleine Winkel: D ≈ 2 · L · λ / d. ④ Theo meint: „Das sind gar keine Elektronen, das ist Röntgenstrahlung aus der Folie!“ Wie widerlegt Erwins Magnet das? ⑤ Warum entstehen Ringe und keine einzelnen Punkte?

Station 3: Der Doppelspalt für alle – Elektronen, Neutronen, Bucky und Erwin

Claus Jönsson schickte 1961 in Tübingen erstmals Elektronen durch einen echten Doppelspalt. Später folgten Neutronen, Atome und sogar Bucky und seine Freunde. Hier kommen die Objekte einzeln an, Treffer für Treffer. Der Streifenabstand auf dem Schirm ist Δx = λ · L / d. Mya kann die Spalte außerdem mit einer Lampe beleuchten: Ein gestreutes Photon verrät dann vielleicht, durch welchen Spalt das Objekt geflogen ist.

Wellenlänge λ–
Streifenabstand Δx–
Treffer0
Muster?–
Wer fliegt durch?
–

Myas Lampe an den Spalten
Quelle
100 /s

Aufträge: ① Lass Elektronen einzeln durch den Doppelspalt fliegen. Ab wie vielen Treffern erkennst du Streifen? ② Erhöhe die Beschleunigungsspannung. Wie ändert sich der Streifenabstand? Begründe mit λ = h/p. ③ Vergleiche Elektronen, Neutronen und Bucky. Warum braucht man für schwere Objekte so feine Spalte? ④ Schalte die blaue Lampe ein. Was passiert mit dem Muster? Und mit Infrarot? Erkläre mit der Wellenlänge des Lichts. ⑤ Warum bekommt Erwin kein Interferenzmuster, obwohl auch er eine Wellenlänge hat?

Merke
  • De-Broglie-Wellenlänge: Jedes Objekt mit Impuls p hat die Wellenlänge λ = h / p = h / (m · v). Für Elektronen nach Beschleunigung mit U: λ = h / √(2 · me · e · U), ab etwa 10 kV relativistisch korrigieren.
  • Beugung: Elektronen werden an Kristallgittern gebeugt wie Röntgenlicht (Bragg: 2d · sin ϑ = λ). Bei vielen ungeordneten Kriställchen entstehen Ringe. Höhere Spannung, größerer Impuls, kleinere Wellenlänge, kleinere Ringe.
  • Interferenz: Elektronen, Neutronen, Atome und Moleküle zeigen am Doppelspalt ein Interferenzmuster mit Δx = λ · L / d, auch wenn sie einzeln fliegen. Jeder Treffer ist ein Punkt, das Muster entsteht erst aus vielen.
  • Welcher Weg? Lässt sich der Weg feststellen, etwa mit Licht, dessen Wellenlänge kleiner als der Spaltabstand ist, verschwindet das Muster. Licht mit größerer Wellenlänge verrät den Weg nicht, dann bleibt es.
  • Große Objekte haben eine so winzige Wellenlänge, dass Beugung und Interferenz unmessbar klein sind. Darum verhalten sich Tennisbälle und Kater klassisch.

Station 4: Rechne selbst

pm

Konstanten und Tipps

  • h = 6,626 · 10−34 J·s
  • me = 9,109 · 10−31 kg, mn = 1,675 · 10−27 kg
  • e = 1,602 · 10−19 C, 1 u = 1,661 · 10−27 kg
  • Elektron: e · U = ½ · m · v² ergibt p = √(2 · m · e · U)
  • 1 pm = 10−12 m, 1 nm = 10−9 m
  • Antworten auf 1,5 % genau werden als richtig gewertet.

Teste dich

Zum Schluss: Wahr oder geflunkert?

Mya kennt viele Geschichten über die Pioniere der Materiewellen. Paul hat ein paar erfunden. Welche?