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6. Das Photon Welle und Teilchen Huygens: (19. Jahrh.) Licht ist eine Welle Newton: (18. Jahrh.) Licht sind kleine Teilchen.

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1 6. Das Photon Welle und Teilchen Huygens: (19. Jahrh.) Licht ist eine Welle Newton: (18. Jahrh.) Licht sind kleine Teilchen

2 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

3 Thomas Young Doppelspalt (1801) Was beobachtet man?

4 Helligkeitschwankungen Einzelphotonen- detektor Reduziere Intensität auf einzelne Photonen/sec

5 Verbindung Teilchen-Welle: Ebene Welle: Elektrische Feldstärke cos( /2 t) Intensität E 2 Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h ) Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden Quadrat der Amplitude

6 Intensität E 2 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?

7 Doppelspalt: Was passiert, wenn man eine Seite zuhält?

8

9 Schliesse 1 Schlitz NACHDEM das Teilchen amittiert wurde:

10 Delayed Choice: Interferenz z.B. Auslöschung

11 Delayed Choice: Schalte Spiegel aus NACHDEM der Puls durch den Teiler ist Keine Interferenz!

12 Bahnen von Teilchen sind eine klassiche Vorstellung Klassisch: Impuls und Ort jederzeit genau bestimmt QM: Heisenbergsche Unschärferelation x p x ħ

13 Zeit Ort x Klassische Bahn eines Teilchen P x =mdx/dt Impuls p x Ort x Punkt im Phasenraum zu einem Zeitpunkt QM t als Parameter t1t1 t2t2 t3t3 Impuls p x Ort x x p x ħ Impuls ist NICHT dx/dt Da wenn x scharf p unscharf Vorhersage unscharf Zeit Ort x

14 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Thermische Emission e-e- e-e- e-e- Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung Spezielle Beschichtung für niedrige Austrittsarbeit hilft Standard Verfahren: Fernsehröhren Oszilloskopröhren E kin > eU work

15 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Photoeffekt an Metalloberflächen e-e- e-e- e-e- h E max = h - eU work

16 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen e-e- e-e- e-e- e-e-

17 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen Sekundärelektronenemission aus Festkörperoberflächen Anwendung in Photonen, Ionen und Elektronendetektoren

18 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons Klassische Elektronenradius: Kugelkondensator: Ruheenergie = Elektrostatische Energie r= m Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt

19 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons Klassische Elektronenradius: Kugelkondensator: Ruheenergie = Elektrostatischer Energie r= m Theoretische Größe, aber Comptonquerschnitt Elektron ist ein Punktteilchen! Elektron-Elektron Streuung < m (1/1000 proton)

20 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons 7.3. Ladung des Elektrons Phys.Rev. 2, 109(1913)

21 Prinzip des Millikan Öltröpfchen Versuchs n*e*E m*g

22 Flüssikeitsmantel zur Temperaturstabilisierung (Viskosität ist temperaturabhngig) Röntgenröhre zum Ionisieren Ölzerstäuber Beleuchtung Messe: Steiggeschwindigkeit (Ladung, Radius, Viskosität) Fallgeschwindigkeit (Radius, Viskosität)

23 Noch heute verwendete Methode Elementarladung: Coulomb Andere Methoden: z.B. Elektronen abzählen Es gibt keine freien Teilchen mit nichtganzzahligen Vielfachen Quarks 1/3 2/3 Ladung

24 Physikalisch Technische Bundesanstalt: Pumpe für einzelne Elektronen gekühlt!

25 7. Das Elektron 7.1 Erzeugung von Elektronen 7.2. Größe des Elektrons 7.3. Ladung des Elektrons 7.4. Spezifische Ladung e/m Bestimmung Massenspektrometer Fallen (über Frequenzmessung) e/m Geschwindigkeitsabhängig! Relativistische Massenzunahme schon vor der speziellen Relativitätstheorie entdeckt m = m 0 / 1-v 2 /c 2 1keV v/c= *10 -3 Masse 1MeV v/c=0.942 m=3m 0 1,7589 · 10 8 C/g

26 Ruhemasse des Elektrons: 9,1091 · g

27 8 Teilchen als Wellen 1924: De Broglie Wellenlänge eines Teilchens: = h/p = h/ 2m 0 E kin 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

28

29 8 Teilchen als Wellen 1924: De Broglie Wellenlänge eines Teilchens: = h/p = h/ 2m 0 E kin Beispiel 1: 100 g Ball, 100 km/h 2* m vgl: Atom m, Kern m Beispiel 2: Elektron 100eV 1.2* m

30 Bragg Reflektion von Elektronen: Ganze Zahl d*sin( ) d Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz: 2d sin( ) = m * Gitterabstand Wellenlänge 8 Teilchen als Wellen 8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle

31 Nickel Oberfläche Heizdraht (Elektronenquelle) Spannung -> Elektronenenergie Elektronennachweis 8 Teilchen als Wellen 8.1. Davisson Germer Experiment (1927) Elektronen als Welle

32 Davisson Germer Experiment (1927) Bragg Reflektion von Elektronen:

33 Davisson Germer Experiment (1927) Vakuumröhre Nickeloberfläche muss gut sein Vakuum für Elektronenausbreitung

34 the results of the Davisson Germer experiment were discovered by accident. While working at Bell Labs during the mid 1920's C.J. Davisson and L.H. Germer were researching electron energies scattered from metal surfaces. Their discovery was found when they were shooting electrons at a piece of nickel in a vaccum. One day the nickel became oxidized after their vacuum had sprung a leak. They heated up the nickel in order to get rid of the oxidization. Now when they did the experiment, their diffraction pattern displayed maxima and minima at specific angles. Davisson and Germer realized that heating up the nickel caused it to crystallize and the regular spacing between the atoms of the crystal acted like a grate to cause the diffraction in the same way as Young's Double Slit Experiment. This experiment proved Louis de Broglie's theory that matter behaves like waves.Young's Double Slit Experiment


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