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Welle-Teilchen-Dualismus


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Unter dem Begriff Welle-Teilchen-Dualismus versteht man die Erkenntnis der Quantenmechanik dass einerseits Wellen wie z.B. elektromagnetische oder mechanische Wellen auch Teilchencharakter und Teilchen wie z.B. Elektronen auch Wellencharakter haben.

Dabei ist zu beachten dass stets beide Charaktere vorhanden sind - also nicht umgeschaltet wird.

Die Wellennatur des Lichts

Auf die Frage ob Licht aus oder Wellen besteht hat man im Laufe Jahre unterschiedliche Antworten gefunden: Newton entwickelte im 17. Jahrhundert die geometrische unter der Annahme das Licht bestehe aus Anfang des 19. Jahrhunderts zeigten aber Experimente Young und Fresnel dass Licht sich zur Interferenz bringen was ein eindeutiges Indiz für dessen Wellencharakter Mit der Formulierung der Maxwellgleichungen Ende des 19. Jahrhunderts und der daraus ergebenden Existenz elektromagnetischer Wellen die sich Lichtgeschwindigkeit ausbreiten war die Wellennatur des Lichtes anerkannt.

Einstein und die Photonen des Lichts

1905 postulierte Einstein nach Untersuchung des Photoeffektes wiederum dass Licht (bzw. elektromagnetische Wellen ) aus Teilchen ( Quanten ) den Photonen besteht. Diese Photonen führen in einzelnen diskreten Portionen eine Energie E mit sich. Diese Phänomen nennt sich Quantisierung . Die Energie hängt von der Frequenz des Lichtes nach folgender Beziehung ab:

<math>E={h \ \nu}</math>

wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum ist.

Diese Beziehung gilt auch für mechanische z.B. für Gitterschwingungen in einem Festkörper . Die Teilchen werden dann Phononen genannt.

De Broglie und der Wellencharakter von Teilchen

Dass auch massereiche Teilchen einen Wellencharakter hat de Broglie 1924 erkannt. Hat das Teilchen einen Impuls p so ist seine Wellenlänge λ durch Beziehung bestimmt:

<math>\lambda = {h \over p}</math>.

Diese Gleichung umfasst auch die o.g. Gleichung für Photonen denn der Impuls eines ist

<math>P={E \over c}</math>

und seine Wellenlänge

<math>\lambda={c \over \nu}</math>
( c ist die Lichtgeschwindigkeit).

De Broglies Formel wurde drei Jahre bestätigt nachdem beobachtet wurde dass Elektronen nach Durchgang durch ein Kristallgitter das vorhergesagte Interferenzmuster bilden.

Die Wellenfunktion der massereichen Teilchen ist komplexwertig und ihre zeitliche Entwicklung wird durch Schrödingergleichung beschrieben.

Der Wellencharakter der Teilchen zeigt sich bei makroskopischen Gegenständen was zwei prinzipielle Ursachen

  • Selbst bei langsamer Bewegung haben makroskopische aufgrund ihrer großen Masse eine Wellenlänge die kleiner ist als die Abmessungen des Gegenstandes. diesem Fall kann man nicht mehr den Gegenstand als ein quantenmechanisches Objekt behandeln sondern seine Bestandteile separat beschreiben.
  • In makroskopischen Gegenständen laufen permanent thermodynamisch Prozesse ab und es werden Photonen (Wärmestrahlung) der Umgebung ausgetauscht. Beides führt zur Dekohärenz des Systems was bedeutet dass ein möglicherweise interferenzfähiger Zustand sich sehr schnell in nicht interferenzfähigen umwandelt der sich dann wie klassisches Teilchen also nicht wie eine Welle

Siehe auch: Doppelspaltexperiment klassische Wellen klassische Teilchen



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