Frage von Polly1998, 88

Kann mir einer bei Physik helfen- Thema Wellen, Quanten etc.?

Hey, in Physik müssen wir ein Referat halten. Dieses hatte ich auch eigentlich schon fertig, allerdings möchte die Lehrerin nun, dass ich noch auf folgende Aspekt4e eingehe: - Wellen- oder Teilchenverhalten bei Quantenobjekten - Existieren "halbe Protonen"? - Entsteht das Interferenzbild durch Überlagerung aufeinander folgender Photonen? -Ist die gleichzeitige Präparation von Photonen mit " Polarisationsrichtung waagerecht" und " Polarisationsrichtung senkrecht" möglich?

Ich wäre euch echt sehr dankbar, wenn ihr mir hierbei helfen könntet, da ich wirklich keine Ahnung habe wie ich die jeweiligen Fragen begründet beantworten soll.....

Expertenantwort
von PWolff, Community-Experte für Physik, 41

Zunächst: Ein quantenmechanisches System beantwortet grundsätzlich die Frage, die man ihm stellt. Das ist für alle Punkte wichtig.

Welle / Teilchen: Wenn du ein Experiment aufbaust, das nach Welleneigenschaften fragt - z. B. ein Interferenzexperiment -, bekommst du eine Antwort wie von einem System, in dem sich Wellen ausbreiten können. Wenn du ein Experiment aufbaust, das nach Teilcheneigenschaften fragt - z. B. ein Teilchenzähler wie ein Geigerzähler -, erhältst du eine Antwort wie von einem System, in dem sich Teilchen bewegen können.

Halbe Protonen: Im Wellenbild ja - es ist ohne weiteres möglich, eine Welle so aufzubauen, dass sich in einem bestimmten Bereich ein halbes Teilchen aufhält (im Mittel natürlich). Im Teilchenbild nein - man beobachtet ja gerade, dass es bestimmte kleinste Teilchen gibt - das gilt für alle Arten von "kleinsten" Teilchen, daher der Name "Quantentheorie" (Quantum = bestimmte Menge).

Interferenzbild: Im Wellenbild natürlich nein, im Teilchenbild möglicherweise ja - du kannst die Energie so weit herunterdrehen, dass sich jeweils maximal ein einzelnes Photon in der Apparatur befindet, und du erhältst immer noch ein Interferenzbild.

Verschiedene Polarisationsrichtungen: https://de.wikipedia.org/wiki/Komplement%C3%A4re_Observablen ist nicht ausführlich genug; die Maxwell-Gleichungen (Wellengleichungen des elektromagnetischen Feldes) lassen sich für senkrecht aufeinander stehende Wellen "separieren" (d. h. die Gleichungen für die eine Polarisationsrichtung beeinflussen nicht die für die andere Polarisationsrichtung; für "schräge" Polarisierungen gilt das nicht mehr). Damit lassen sich senkrecht aufeinander stehende Polarisationen gleichzeitig präparieren. Entsprechendes gilt für entgegengesetzte zirkuläre Polarisation.

Kommentar von Polly1998 ,

Bei den halben Protonen, wie meinst du das mit ,,Im Mittel"?

Kommentar von PWolff ,

Stimmt - im Wellenbild spielt diese Mittelung keine Rolle.

Erst, wenn man nachschaut, ob dort ein Teilchen ist oder nicht.

Kommentar von Polly1998 ,

Irgendwie verstehe ich das mit dem Wellen und Teilchenverhalten bei Quantenobjekten immer noch nicht-> Ich weiss, ich bin eine Niete in Physik

Antwort
von grtgrt, 42

Zu glauben, dass ein Elementarteilchen Welle und Teilchen gleichzeitig sei, gilt als eine schon einige Jahrzehnte lang überholte Interpretation dessen, was man beobachtet. Bitte lies dazu

Wo man glaubt, ein sog. Elementarteilchen als "Teilchen" beobachtet zu haben, hat man lediglich eine Stelle gesehen, von der Licht ausging als Folge dessen, dass das Elementarteilchen (als Energieportion) dort mit anderen verschmolzen ist, die dann fast sofort einen Teil der eben aufgenommenen Energie wieder als Licht abgaben.

Kommentar von grtgrt ,

Die einzige Form, die man einem Elementarteilchen sinnvollerweise zuordnen kann, ist die einer stark lokalisierten Konzentration von Energie (aber ganz sicher nicht die eines "Kügelchens").

Nur bis etwa 1950 hat man sich die Elementarteilchen als nahezu punktförmige, kleine Kügelchen vorgestellt. 

Heute weiß man, dass sie Felder darstellen (wellenartig sich auf- und abbauendes Kraftpotential). Kraft in diesem Sinne ist stets eine der vier Grundkräfte der Physik (diese Kräfte sind beschrieben z.B. auf Seite http://greiterweb.de/spw/Grundkraft-der-Physik.htm ).

Kommentar von Polly1998 ,

Hallo, erstmal vielen Dank für deine Antwort. Allerdings habe ich noch eine Frage:Das was du geschrieben hast, könnte diese Informationen als ANWORT für die Wellen und Teilcheneigenschaften bei Quantenobjekten nehmen??? 

Kommentar von grtgrt ,

Ja, genau so werden diese Eigenschaften heute erklärt.

Kommentar von grtgrt ,

Dann noch zu deinen anderen Fragen:

  • Halbe Protonen gibt es nicht (Elementarteilchen sind unteilbar, als Energieportion können sie nur ganz oder gar nicht verbraucht werden).
  • Ein Interferenzbild hinterm Doppelspalt entsteht auch dann, wenn Photonen einzeln hintereinander hin zum Doppelspalt geschickt werden. Und genau das zeigt ja, dass jedes Photon auch mit sich selbst interferiert in dem Sinne, dass der Doppelspalt es in zwei Teilwellen zerlegt, die dann interferieren (ganz so, wie ja auch eine Wasserwelle durch den Doppelspalt in zwei Teilwellen zerlegt würde).
Kommentar von Polly1998 ,

Vielen Dank für Deine Antwort :)

Antwort
von PeterKremsner, 43

Halbe Photonen kann es nicht geben da die Energie in einem Photon gequantelt ist, das kannst du dir wie ein Energiepaket vorstellen. Wenn du die Energie des Photon halbierst, halbierst du nicht das Photon selbst sonder die Wellenlänge des Photons.

Nach der Beziehung : E = h*f (h ist das Plancksche Wirkungsquantum)

Das Interferenzbild entsteht nicht durch Überlagerung der Photonen (Teilchen) sondern durch das Überlagern der Wellenfunktionen (Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Photons an einem Ort und zu einer Zeit).

Ein Photon bzw die Welle kann nur in eine Richtung Polarisiert sein, also zuerst senkrecht Polarisieren und dann wagrecht geht nicht. Wenn du das mit Polarisationsfilter versuchst dann kommt da kein Licht mehr durch.

Kommentar von Polly1998 ,

Könntest du mir den Punkt mit dem Interferenzbild noch genauer erklären?? Ich bin wirklich schlecht in Physik..... tut mir Leid

Kommentar von PeterKremsner ,

Kein Problem dafür sind wir ja da ;)

Das Photon selbst ist ein "Teilchen" und die Wahrscheinlichkeit wo sich das Teilchen derzeit aufhält kannst du als Welle beschreiben.

Wenn du dir zB einen Sinus ansiehst dann hast du bei jedem Maximum oder Minimum des Sinus die höchste Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Links und Rechts vom Maximum kann sich das Teilchen auch aufhalten aber die Wahrscheinliichkeit dafür ist entsprechend geringer.

Wenn du jetzt die Beugung am Spalt beobachtest dann geht von jeder Kante des Spaltes eine einzelne Welle aus (das nennt man das huygensche Prinzip)

Am Schirm werden die beiden Wellenfunktionen addiert. Dadurch dass der Spalt aber eine gewisse Breite hat haben die Wellenfunktionen zueinander eine Phasenverschiebung die Abhängig vom Winkel ist. Wenn die Phasenverschiebung zwischen den Wellen 180° ist dann ergibt die Summe der Wellenfunktionen 0, wenn die Phasenverschiebung ungleich 180° ist dann ist die Summe der Wellenfunktionen sicher ungleich 0.

Wenn du die Summe der einzelnen Wellen jetzt als Aufenthaltswahrscheinlichkeit betrachtest dann ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit an allen Punkten 0 wo die Phasenverschiebung 180° ist. Das bedeutet an diesen Punkten wird kein Photon auftreffen. Es können danach auch Photonen an Punkten auftreffen die man normal nicht erwartet und das Muster was sich ergibt nennt man Interferenzmuster.

Wenn man das Photon jetzt als Teilchen beschreibt dann kann es nur zu Punkten hin wo es eine direkte "Sichtverbindung" von der Quelle zum Schirm gibt, aber durch die Überlagerung der Wellenfunktionen sieht man dass es auch Punkte erreicht die es als reines Teilchen nie erreichen könnte.

Hier ein kleiner Artikel zur Beugung am Spalt:

http://www.abi-physik.de/buch/wellen/beugung-am-einfachspalt/

Daraus folgt dass sich diese Muster nicht aus einer "Teilchenberechnung" ergeben können sondern nur aus einer "Wellenberechnung" (Wahrscheinlichkeitswellen).

Antwort
von Minilexikon, 38

Ich glaube, das Video hilft dir da gut weiter:

Kommentar von grtgrt ,

Dieses Video verschweigt, dass die Interferenz genau dann verschwindet, wenn man das durch die Spalten kommende Licht unterschiedlich polarisiert (man tut das, da nur so klar wird, welcher Teil des Lichts durch welche der beiden Spalten kam).

Unterschiedlich polarisiertes Licht aber kann nicht interferieren.

Mit anderen Worten: Hinter dem Verschwinden der Interferenz steckt überhaupt nichts Geheimnisvolles !!!

Kommentar von Minilexikon ,

Tut mir leid, das wusste ich selbst nicht. Danke für die Korrektur/den Hinweis!

Kommentar von PeterKremsner ,

Kleiner Nachtrag:

Die Interferenz verschwindet natürlich generell wenn man bestimmt durch welchen Spalt das Photon kam, egal ob man das mit einem Polarisationsfilter bestimmt oder durch etwas anderes (auch wenn mans nur wirklich mit einem Polarisationsfilter bestimmen kann).

Daraus folgt auch ein wichtige Erkenntnis, die Messung verändert das Ergebnis.

Ich hab zwar schon von Experimenten gehört bei denen trotz Messung die Interferenz noch vorhanden war, aber so ganz verstanden habe ich das nicht, es wurde jedenfalls mit einem Quantenradierer gearbeitet.

Kommentar von grtgrt ,

In populärwissenschaftlichen Schriften wird gerne gesagt, dass Informationsgewinn - das Wissen darüber, durch welchen Spalt ein Photon kam - das Verschwinden der Interferenz bewirken würde. Das ist aber falsch, denn auch ein Photon (da ja Welle) kommt durch beide Spalten gleichzeitig: Es breitet sich um die Stelle seines Entstehens herum aus als Kugelwelle, die jedoch um Hindernisse herum gebeugt wird. Die Ränder der Spalten sind solche Hindernisse, und so hat sich die Kugelwelle hinter den Spalten in zwei Lappen verformt, die sich überlappen und - wenn sie nicht unterschiedlich polarisiert werde - auch interferieren. Stellt man unmittelbar vor dem Schirm, der das Licht auffängt einen dritten Polarisationsfilter, durch den beide Teilwellen (die beiden "Lappen") gehen, so erscheint wieder Interferenz auf dem Schirm. Zusammen mit diesem dritten Polarisationsfilter nennt man das Experiment dann einen Quantenradierer (was er ausradiert ist die unterschiedliche Polarisation der beiden Teilwellen).

Kommentar von grtgrt ,

Bitte lies dazu auch die beiden ersten Antworten auf Seite https://www.gutefrage.net/frage/wieso-funktioniert-das-doppelspalt-experiment-ni... (sowie die Kommentare dazu).

Kommentar von grtgrt ,

Was man am Experiment des Quantenradierers zusätzlich noch lernt, ist, dass jede ein Photon darstellende Welle an unterschiedlichen Orten (in unterschiedlichen örtlichen Bereichen) unterschiedliche Form haben, also z.B. unterschiedlich polarisiert sein kann.

Dennoch ist sie als Energieportion unteilbar, kann also stets nur ganz oder gar nicht verschwinden (d.h. sich mit einem anderen Elementarteilchen - einem Elektron eines Atoms etwa - vereinigen).

Antwort
von webflexer, 31

Schreibe folgendes:

"Durch die heutige Quantenmechanik liegt alles im Bereich des möglichen"

Punkt und aus....

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