Physik-LK · Skript 5 · Quantenphysik

Einzelne Quanten am Doppelspalt

Schickt man Photonen oder Elektronen so schwach durch einen Doppelspalt, dass immer nur eines unterwegs ist, landet jedes an einem zufälligen Ort. Wo es landet, lässt sich nicht vorhersagen. Erst viele Treffer zusammen ergeben das Interferenzmuster: Die Wahrscheinlichkeit, ein Quantenobjekt zu finden, folgt dem Muster der Welle. Lässt sich feststellen, durch welchen Spalt es kam, verschwindet die Interferenz.

So gehst du vor

1Wähle Photonen oder Elektronen und welche Spalte offen sind.
2Beginne mit 1 bis 5 Treffern je Sekunde und beobachte einzelne Treffer.
3Erhöhe die Rate und warte, bis im Histogramm ein Muster erkennbar ist.
4Schalte die Welcher-Weg-Information zu und vergleiche (der Schirm wird dabei geleert).

Treffer

Rate

5 je s

Quantenobjekte

Spalte

Treffer je Sekunde

Modell: Die Treffer werden zufällig nach der Intensitätsverteilung des Doppelspalts gezogen. Beim Ändern der Einstellungen wird der Schirm geleert. Bei Elektronen sind die Spalte nur etwa 1 µm breit (Jönsson 1961), das Muster sieht aber genauso aus.

Beobachten und deuten

Die Verteilung der Treffer ist reproduzierbar, der einzelne Treffer nicht. Das Quadrat der Wellenamplitude gibt die Wahrscheinlichkeit an, ein Quantenobjekt an einer Stelle zu finden. Mit Welcher-Weg-Information addieren sich nicht die Amplituden, sondern die Wahrscheinlichkeiten der beiden Wege.

Aufträge

Stelle 1 Treffer je Sekunde ein. Kannst du vorhersagen, wo das nächste Photon landet? Wo landet es nie?
Erhöhe die Rate auf 2000. Ab wie vielen Treffern erkennst du das Muster sicher?
Öffne nur Spalt 1, dann nur Spalt 2. Ist das Muster mit beiden Spalten die Summe der beiden Einzelmuster?
Schalte die Welcher-Weg-Information ein. Was ändert sich, und warum?
Vergleiche Photonen und Elektronen. Was folgt daraus über das Wesen von Quantenobjekten? (Stichwort: weder Teilchen noch Welle)

Theorie: Quanten-Skript, Kapitel „Quantenobjekte am Doppelspalt“ und „Welcher-Weg-Information“.