Demonstration des Welle-Teilchen Dualismus von Licht

Was sind Photonen?

Photonen sind die kleinsten Einheiten, aus denen Licht besteht. Photonen sind Lichtquanten, d.h. Energie-Pakete, Teilchen ohne Masse, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.
 

Besteht Licht aus Teilchen oder ist Licht eine Welle?

Beides! Die Energie eines einzelnen Photons hängt direkt mit der Wellenlänge bzw. der Frequenz der Lichtwelle zusammen: Energie = Planck'sches Wirkungsquantum  x  Frequenz

Das Planck'sche Wirkungsquantum ist eine Naturkonstante mit dem Wert:

h = Planck'sches Wirkungsquantum = 6,626 x 10-34 Js

Weil die Frequenz = Lichtgeschwindigkeit / Wellenlänge ist, gilt für die Energie eines Photons auch:

Energie = Planck'sches Wirkungsquantum  x  Lichtgeschwindigkeit / Wellenlänge

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist ebenfalls eine Naturkonstante:

c = Lichtgeschwindigkeit = 2,9979 x 108 m/s

Ob man das Licht nun als Welle oder als Teilchen registriert, hängt vom jeweiligen Versuch ab:

  • Richtet man einen Laser-Strahl auf einen Spalt oder ein optisches Gitter, so sieht man Beugungsmuster, die sich nur durch die Welleneigenschaften des Lichtes erklären lassen.
  • Mißt man jedoch schwache Lichtintensitäten mit einem Photomultiplier oder mit unserem photonenzählenden Detektor, so registriert man einzelne Photonen und damit den Teilchencharakter des Lichts.

Im folgenden wird gezeigt, daß man auch im gleichen Versuch das Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen registrieren kann.
 

Der Doppelspalt-Versuch

Richtet man einen Laserstrahl auf einen Doppelspalt, d.h. zwei schmale Spaltöffnungen dicht nebeneinander, so erhält man auf einem dahinter liegenden Projektionsschirm ein typisches Interferenzmuster, das man aus der Wellenlänge des Lichts und aus den Abmessungen des Doppelspalts genau berechnen kann. Dieses Muster entsteht durch die Überlagerung (Interferenz) der an den beiden Spaltöffnungen gebeugten Lichtstrahlen. Interferenz bedeutet dabei, daß sich die Lichtstrahlen bei der Überlagerung an bestimmten Stellen gegenseitig verstärken als auch an anderen Stellen gegenseitig auslöschen können. Man erkennt daran also die Wellen-Natur des Lichts.

Was passiert aber, wenn man statt des Laserstrahls eine sehr schwache, einfarbige Lichtquelle benutzt und statt des Projektionsschirms einen photonenzählenden, abbildenden Detektor verwendet?

Wenn die Lichtquelle schwach genug ist, wird immer nur jeweils ein Photon zwischen Lichtquelle und Detektor unterwegs sein. Stellt man sich die Photonen nun anschaulich wie klassische Teilchen vor, so würde das bedeuten, daß ein Photon immer nur durch einen der beiden Spalte hindurchfliegen kann, bevor es auf den Detektor trifft. Da es dann aber nichts von dem anderen Spalt "wissen" kann und auch keine anderen Photonen trifft, die durch den anderen Spalt geflogen sein könnten, dürfte man auf dem Detektor eigentlich kein Interferenzmuster sehen.
 

Das Resultat

Wir haben das Experiment mit unserem photonenzählenden, abbildenden Detektor aufgebaut. Der Doppelspalt bestand aus zwei Spalten mit je 20µm Breite im Abstand von 180µm (Mitte-Mitte). Der Doppelspalt befand sich rund 11cm vor dem Detektor. Als Lichtquelle wurde eine grüne Leuchtdiode mit einer Wellenlänge von 565nm verwendet. Die folgenden Abbildungen zeigen das Resultat:
 
 

Man sieht, daß auch der photonenzählende Detektor das für einen Doppelspalt typische Interferenzmuster registriert, wenn das Bild nur lange genug aufintegriert wird.
Dieses Bild zeigt den Helligkeitsverlauf in horizontaler Richtung über das obige Bild. Bis zu 9 Intensitäts-Maxima sind in dem Interferenzbild zu erkennen. Der Abstand der Maxima beträgt jeweils rund 350µm.

Klicken Sie auf das Bild um es in größerer Auflösung zu sehen.

 
Die Erklärung für dieses auf den ersten Blick ungewöhnliche Verhalten ist, daß Licht eben aus Teilchen und Welle gleichzeitig besteht. Quantenmechanisch bedeutet dies, daß alle Teilchen durch Wellenfunktionen beschrieben werden können, also sowohl masselose Photonen als auch mit Masse behaftete Teilchen wie Elektronen. Diese Wellenfunktionen beschreiben nur noch eine Wahrscheinlichkeit dafür, das jeweilige Teilchen an einem bestimmten Ort anzutreffen. Diese Wellenfunktion "sieht" auch die beiden Spalte und daher hat jedes einzelne Photon hinterher eine Auftreffwahrscheinlichkeit auf der Detektorfläche, die dem klassischen Interferenzmuster entspricht. Wenn also nach einiger Zeit sehr viele Photonen auf dem Detektor angekommen sind, haben sie sich so verteilt, wie es dem Interferenzmuster des Doppelspalts entspricht.

Werner Heisenberg hat dieses Experiment in seinem Buch "Physik und Philosophie" noch als Gedankenexperiment diskutiert (S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1959, S. 34ff).

Auch von Stephen Hawking wurde der Doppelspaltversuch in seinem Buch "Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit" beschrieben (Rowohlt, 1997, S. 76f).

Ähnliche Experimente lassen sich auch mit massebehafteten Teilchen wie Elektronen und Ionen durchführen.
 

Wie sieht der photonenzählende Detektor das Beugungsbild?

1) Film mit kurzzeitig integrierten Teilbildern des oben abgebildeten Bildes (animiertes GIF-Bild). Dieser Film gibt einen ungefähren Eindruck dessen wieder, was man in Echtzeit auf einem Bildverstärker-Bildschirm von dem oben gezeigten Bild sehen würde. Man sieht statistisch verteilte einzelne Photonen, wobei die Photonenzahl zu gering ist, um das Beugungsmuster erkennen zu können.

2) Film mit kontinuierlich aufaddierten Teilbildern des oben abgebildeten Bildes (animiertes GIF-Bild).
Im Gegensatz zum vorigen Film sieht man hier, wie die einzelnen Teilbilder aufintegriert werden, so daß am Ende das Beugungsmuster immer deutlicher erkennbar wird.
 

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