Der Wellen-Teilchen-Dualismus

Das Thema des 1. LG-Tags stand in der Physik im Zeichen des Wellen-Teilchen-Dualismus. Conradin Beeli und ich sind dazu mit unseren 6.-Klässer*innen an die Universität Zürich zu Prof. Dr. Christof Aegerter. Dieser nahm sich nicht nur netterweise Zeit für uns, sondern hatte auch in einem Vorlesungssaal einige wichtige Experimente zum Thema aufgestellt. Im Vorfeld hatten wir im Physikunterricht einige Wellenphänomene behandelt - darunter insbesondere die Beugung am Doppelspalt. Die Schüler*innen hatten dabei auch einzelne Messungen zu einem Doppelspaltexperiment gemacht.

Ein ähnliches Experiment war dann auch im Vorlesungssaal aufgestellt. Hier fand die Beugung des Laser-Lichts allerdings nicht an einem Doppelspalt, sondern an einem Haar statt. Professor Aegerter forderte sogleich die Schüler*innen auf die Breite des Haars mit den bekannten Berechnungen und nur mit Hilfsmitteln abzuschätzen, die sich im Vorlesungssaal befanden. Das Resultat kam trotz Messungen von Abständen mit Hilfe von Verlängerungskabel und Wandtafel-Massstab erstaunlich genau heraus. Auch das zweite Experiment von Professor Aegerter zeigte durch verblüffende Polarisationseffekte die Wellennatur von Licht. Diese Eigenschaft von Licht war den Schüler*innen allerdings schon bekannt.

Dass Licht auch Teilcheneigenschaft besitzen kann, war nur wage bekannt. Der photoelektrische Effekt, für dessen Interpretation Albert Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt, deckt dies allerdings auf. Dabei löst Licht die Elektronen einer geladenen Metallplatte heraus und entlädt die Platte dadurch. Erstaunlich ist dabei, dass nicht wie erwartet die Intensität des Lichts eine Rolle spielt. Wird das Licht z. B. gedimmt, kann man immer noch - wenn auch langsamer - eine Entladung feststellen. Unterhalb einer bestimmten Frequenz findet aber keine Entladung mehr statt, auch wenn das Licht noch so intensiv ist. Entscheidend bei der Entladung ist also die Frequenz des Lichts. Jedes Photon (Lichtquant) besitzt eine Energiemenge, die von seiner Frequenz abhängig ist. So besitzen Photonen blauen Lichts beispielsweise eine höhere Energie als jene roten Lichts. Mit Hilfe von Messungen zum Herauslösen der Elektronen aus einer Metallplatte durch Photonen unterschiedlicher Spektralfarben, konnten wir nach einigen Rechenschritten die Planck'sche Konstante - eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik - bestimmen. Diese stimmte auch hier wieder erstaunlich gut mit dem Literaturwert überein.

Zum Schluss gestalteten zwei Schüler*innen ein Poster auf ihren Tablets, das das Experiment des photoelektrischen Effekts inklusive gemessener Daten und deren Auswertung zusammenfasste.

Claudio Henry
FS Physik

In diesem Video sieht man eine mit Ultraschallwellen angeregte Wasseroberfläche in einer Petrischale. Einzelne Wassertröpfchen (kleine schwarze Punkte) gleiten über die Wasseroberfläche begleitet von einer ungefähr kreisförmigen Wasserwelle. Die Tröpfchen vereinigen sich aufgrund der Ultraschallanregung nicht mit der Wasseroberfläche sondern tanzen darüber. Dabei lösen sie diese kreisförmigen Wasserwellen aus. Umgekehrt verursacht aber die Ausbreitung dieser Wasserwellen eine Steuerung der Bewegungen dieser Wassertröpfchen. Man kann, z.B., sehen wie einzelne Tröpfchen im Kreis herum laufen oder aber wie zwei Tröpfchen über die Welle miteinander gekoppelt sich gemeinsam bewegen (eine Analogie zu den Cooper-Paaren in Supraleitern). Die Kombination eines Teilchens (Wassertröpfchen) mit einer damit verbundenen Wasserwelle nennt man Englisch eine „Pilot-Wave“ und dient als makroskopisches Analogie-Experiment zur Quantenphysik bei der submikroskopische Phänomene (Licht, Elektronen, …) durch eine Wellenfunktion mathematisch dargestellt werden können. Daher ist dieses Experiment eine sehr wertvolles Instrument, die schwierige Quantenphysik der Wellenfunktion makroskopisch in einer Analogie zu veranschaulichen! (Conradin Beeli)
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