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schulexperimente zum dualismus des lichts

1. 1 Der Themenkomplex Licht im Physikunterricht der Mittel und Oberstufe Im Physikunterricht der Mittelstufe bildet die traditionelle Physik den Rahmen des Curricu lums Die Sch lerinnen und Sch ler lernen die teils seit Jahrhunderten bekannten Gesetze und Regeln der Mechanik Elektrizit ts und W rmelehre In vielen Bundesl ndern wird im Curriculum als Einstiegsthema f r den Anfangsunterricht in Physik die Optik vorgeschlagen Die Grundlagen der Optik erlernen die Sch lerinnen und Sch ler ausgehend von ihren All tagserfahrungen Lichtquellen Lichtstrahlen Schatten Farben usw Basis der Erkl rungen ist meist das Strahlenmodell welches in seinen Grundz gen seit der Antike bekannt ist Ausge hend von der optischen Abbildung und der Ausbreitung des Lichts werden Themenbereiche wie Reflexion und Brechung Linsen oder optische Instrumente gelehrt und gelernt Am Ende der Mittelstufe sollten die Sch lerinnen und Sch ler die Erscheinungen in Natur und Technik aus Sicht der Physik beobachten und angemessen beschreiben k nnen Le99 S 18 Die Quantenphysik bietet in der gymnasialen Oberstufe die M glichkeit zur berleitung von der traditionellen Physik vergangener Jahrhunderte hin zur modernen Physik des 20 und 21 Jahrhunderts Es bietet sich die Gelegenheit naturphilosophische Grundfragen z B Was ist Licht bewusst zu machen und gleichzeitig naturwissenschaftliche Antworten anzubie ten Die Quantenphysi
2. Der Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen 1 3 1 Versuchsablauf Abbildung 50 Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen Der Hauptschalter des zweiten Versuchstisches steuert die Stromversorgung aller eingesetz ten Ger te Neben dem Laser sind dies der Computer sowie der Bildverst rker Die ben tigte Spannung f r den Bildverst rker wird durch ein Steckernetzteil 12V 500MA zur Verf gung gestellt Der Bildverst rker ist automatisch mit Einschalten des Hauptschalters in Betrieb Aufgrund der hohen Sensitivit t des Bildverst rkers darf dieser in eingeschaltetem Zustand nicht intensivem Licht ausgesetzt werden Deshalb ist vor dem Einschalten unbedingt darauf zu achten dass die Filter stets korrekt auf das Objektiv vor dem Bildverst rker aufge schraubt sind Der Betrieb des Bildverst rkers ohne vorgeschaltete Schutzfilter kann zu Sch den am Bildverst rker f hren Ferner sollten die Anschlusskabel zum Bildverst rker nicht getrennt werden Sollte dies doch einmal geschehen sein ist bei der Wiederherstellung der Verbindung unbedingt auf die korrekte Polarit t zu achten Ein falsches Anschlie en der Spannungsversorgung f hrt zur Zerst rung des Bildverst rkers Bildquelle eigenes Foto 83 Ebenso ist der Laser bei eingeschaltetem Hauptschalter automatisch in Betrieb Seine Leis tung kann mit dem Potentiometer beschriftet mit Laser gesteuert werden siehe Abb 55 unten rechts Der Nullanschlag befind
3. ISERFIRE 1 Bei Accu image wird die Bilddatei angegeben in die die Akkumulation der Daten erfolgen soll Ferner kann ein Lower und ein Upper Limit eingestellt werden Diese Grenzen m ssen f r jeden Versuchsdurchlauf unter Ber cksichtigung des Umgebungslichts neu eingestellt wer den Sie k nnen auch noch bei laufendem Versuch ver ndert werden Mit Dr cken des OK Buttons im SPI Dialogfenster wird die Aufnahme im Single Photon Imaging Modus gestartet Die Bilddaten werden von ISERFIRE 1 an die Akkumulationsdatei geliefert W hrend das Makro SPI aktiviert ist sieht man das Livebild im ISERFIRE 1 Fenster sowie die Akkumulati on der Live Einzelbilder im Akku Fenster In der Slice Einstellung werden im Livebild die relevanten Photonen mit maximalen Intensit tswerten dargestellt I 65535 Die gem den Limiteinstellungen irrelavanten Ereignisse werden mit niederen Intensit ten angezeigt Bei Wahl einer entsprechend hohen Slice Stufe wird dieser Untergrund nicht mehr angezeigt und ausschlie lich die relevanten Photonen sind im Livebild zu sehen In der Akkumulationsdatei wird f r jeden weiteren Treffer die Pixelintensit t um 1 erh ht In Darstellung Slice 0 werden alle Pixel mit mindestens einem Treffer dargestellt Bei Slice 1 alle Pixel mit einer Intensit t gr er gleich 2 Bei Slice 2 betr gt die Intensit t der darge 91 stellten Pixel mindestens I 4 Allgemein erfolgt die Darstellung in Abh ngigkeit der gew h
4. Materie Energie nicht beliebig sondern nur in kleinen Portionen Quanten genannt abgeben oder aufnehmen kann Einstein greift diese Grundidee auf und bertr gt die Energiequante lung auf die elektromagnetische Strahlung Er postuliert Lichtquanten die sp ter den Namen Photonen erhielten Einstein schrieb diesen Lichtquanten Teilcheneigenschaften zu und be schrieb das Licht beim Photoeffekt als eine Ansammlung von Geschossen die auf das Metall auftreffen Ein freies Elektron im Metall das von einem Photon getroffen wird absorbiert die Energie des Photons Bei ausreichender Energie des Photons wird das Elektron vom Metall gel st Die maximale kinetische Energie eines freigesetzten Elektrons Ekin h ngt nur von der Energie der Photonen E ab abz glich der ben tigten Austrittsarbeit zum Verlassen des Me talls Waus 2 Albert Einstein ber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichts punkt in Annalen der Physik 17 1905 entnommen aus Le00a S 51 DPG Deutsche Physikalische Gesellschaft Titel des Vortrags Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum 19 Die Energie eines Photons ist ausschlie lich abh ngig von der Frequenz des Lichts v und berechnet sich mit der Planck Einstein Beziehung E h v 5 mit h 6 626 10 Js Die Konstante h wird auch Plancksches Wirkungsquantum genannt Es treten also gem der Planckschen Quantenhypothese nur
5. Weilheim 2001 Kleinknecht Konrad Detektoren f r Teilchenstrahlung Teubner Verlag Stuttgart 1992 Lehrplan Physik Sekundarstufe Il Hrsg Ministerium f r Bildung Wissenschaft und Weiterbildung Rheinland Pfalz Mainz 1999 Leisen Josef Quantenphysik Mikroobjekte Handreichung zum neuen Lehrplan Physik in der SII Hrsg P dagogisches Zentrum Rheinland Pfalz Bad Kreuznach 2000 Leisen Josef Didaktische Vorbemerkungen zur Quantenphilosophie in der Schule in Interpretationen der Quantenphysik S 171 198 Hrsg Rainer Schanz Hermann Stimm Institut f r Lehrerfort und weiterbildung Mainz 2000 99 Le03 Ne52 MiO3 Ro99 Sa02 Si90 Ta09 Th03 Ti94 we00 Yo97 Lehrplan Physik Gymnasialer Bildungsgang Hrsg Hessisches Kultusministerium Wiesbaden 2003 Newton Isaac Opticks Dover Publications Inc New York 1952 milq M nchner Internet Projekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik Hrsg Lehrstuhl der Didaktik der Physik an der LMU M nchen H Wiesner et al www cip physik uni muenchen de nilg Roche Roche Lexikon Medizin Hrsg Hoffmann LaRoche AG Urban amp Fischer M nchen 1999 Sanyo Laser Diode Hrsg Sanyo Corp San Diego CA USA 2002 Simonyi Karoly Kulturgeschichte der Physik Verlag Harri Deutsch Frankfurt M 1990 Taylor Geoffery l Interferenzerscheinungen bei schwachem Licht Trinity College 1909 in Le 00a 5 64 T
6. nomene vortrefflich bew hrt und wird wohl nie durch eine andere Theorie ersetzt werden Es ist jedoch im Auge zu behalten dass sich die optischen Beobachtungen auf zeitliche Mittelwerte nicht aber auf Momentanwerte beziehen und es ist trotz der vollst ndigen Best tigung der Theorie der Beugung Reflexion Dispersi on etc durch das Experiment wohl denkbar dass die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Theorie des Lichtes zu Widerspr chen mit der Erfahrung f hrt wenn man sie auf die Lichterzeugung und Lichtverwandlung anwendet Es erscheint mir nun in der Tat dass die Beobachtungen ber die Erzeugung bzw Verwandlung Lichtes betreffende Er scheinungsgruppen besser verst ndlich erscheinen unter der Annahme dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich verteilt sei Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuier lich auf gr er und gr er werdende R ume verteilt sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten welche sich bewegen oh ne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden k nnen 20 In dieser Hypothese greift Einstein auf die Quantentheorie von Max Planck 1858 1947 zu r ck In dessen legend rem DPG Vortrag am 14 Dezember 1900 der heute oft als die Geburtsstunde der Quantenphysik bezeichnet wird stellte Planck seine Theorie vor dass
7. rpern kommende Bewegung sich ausbreitet nicht die Luft sein sondern eine andere Materie welche Huygens als ther bezeichnet Hu64 S 17 Er beschreibt den ther als aus sehr kleinen Teilchen zusammengesetzt Diese m ssen keineswegs kugelf r mig sein Huygens schreibt ihnen aber eine vollkommene H rte und eine sehr hohe Elastizi t t zu Die Fortpflanzung des Lichts besteht nicht in der Fortbewegung dieser Teilchen sondern nur in einer geringen Ersch tterung welche sie auf die umgebenden Teilchen zu bertragen gezwungen sind Hu64 5 21 Er vergleicht die Fortbewegung mit der Art und Weise mit der sich harte K rper ihre Bewegung einander mitteilen Hu64 S 18 Aufgrund der Elastizit t schnellen die Teilchen nach einem Sto in ihre Ausgangsposition zur ck Da durch erfolgt das Fortschreiten der Welle longitudinal mit der immer gleichen Geschwindig keit Christiaan Huygens erw hnt in seiner Abhandlung Ole R mers Messungen der Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Jupitermonde Die Lichtgeschwindigkeit ist also mehr als 600 000 mal so gro als die Schallgeschwindigkeit Hu64 S 16 Es liegt also 8 auch beim Licht keine augenblickliche Bewegung mit unendlich schneller Geschwindigkeit vor sondern eine allm hliche Bewegung Die Lichtbewegung muss von jedem Punkte des leuchtenden Gegenstandes ausgehen damit man alle verschiedenen Teile dieses Ge genstandes wahrnehmen k nne Hu64 S 16
8. 00 press ESC to stop Abbildung 55 a Image Options Box links 55 b Informationsfenster rechts Mit dem Foto Kamera Button kann die Live Aufnahme ebenfalls gestoppt werden Zus tz lich kann mit diesem Button ein Schnappschuss aufgenommen werden Diese Momentauf nahme kann im SIS Format abgespeichert werden Der entsprechende Button findet sich im Image Manager Abb 53 Nr 4 Das SIS Format ist in WinSIS das Standardbildformat WinSIS bietet zus tzlich die M glichkeit Bilder in den bekannten Formaten TIFF BMP und JPEG so wie ASCII zu speichern Mit den oberen drei Bedienfeldern k nnen der Kontrast und die Helligkeit der Bilddarstellung variiert werden Im vorgestellten Versuch sind die voreingestellten Werte des Programms akzeptabel Ver nderungen brauchen hier nicht vorgenommen zu werden Mit der Slice Einstellung wird die Bit Ebenen Darstellung aktiviert Hierbei wird ein Pixel durch eine Gruppe von acht aufeinander folgenden Bits im 16 oder 32 Bit Wort dargestellt 88 Die Bitebene kann im Bereich zwischen 7 bis 31 eingestellt werden Der eingestellte Wert ist der Faktor um den die Bild Pixel nach links negativ oder nach rechts positiv verschoben werden Dargestellt werden die n chsten 8 Bit nach dem Verschieben Bei der Einstellung Slice 4 die der Voreinstellung des Programms entspricht werden zum Beispiel die Bits 4 11 dargestellt Alternativ zur Bit Ebenen Darstellung kann eine linea
9. H rbarmachen von Photonen Nur wenige Photonen des durch Filter abgeschw chten Laser strahls erreichen den Photomultiplier Die Elektronik wandelt die am Multiplier detektierten Signale in vom Lautsprecher verwertbare Audio Signale um Jedes Knacken des Lautspre chers steht f r ein ankommendes Photon Der Teilchencharakter des Lichts zeigt sich Wird das gleiche Laserlicht an verschiedenen Spalten gebeugt werden Interferenzstrukturen auf dem dahinter liegenden Schirm deutlich Diese sind Merkmal der Wellennatur des Lichts Der Einsatz eines verstellbaren Doppelspalts und zus tzlicher Polarisationsfolien erm glicht beim aufgebauten Versuch eine Vielzahl von Variationen des bekannten Doppelspaltexperi ments Der Dualismuscharakter des Lichts zeigt sich im Hauptversuch dieser Arbeit Das Doppelspaltexperiment wird mit einzelnen Photonen eines stark abgeschw chten Laser strahls durchgef hrt Eine CCD Kamera mit vorgeschaltetem Bildverst rker bernimmt die Rolle des menschlichen Auges Jeder einzelne Photonentreffer offenbart den Teilchencharak ter des Lichts Die scheinbar willk rlich verteilten Treffer k nnen mit Hilfe der eingesetzten Kamerasoftware aufaddiert werden Nach ausreichender Summationszeit wird das bekannte Interferenzmuster der Beugung am Doppelspalt erkennbar Der Wellencharakter des Lichts zeigt sich Die verschieden Charaktere werden also in einem Experiment gleichzeitig deut lich Die Versuche wurden f r den Einsatz in Schu
10. He ron um 60 n Chr Die Gesetze der Perspektive die in der Skenographie behandelt werden finden Anwendung bei dem r mischen Architekten Vitruv dessen architekturtheoretisches Werk aus der Zeit um 30 v Chr berliefert ist In der Dioptrik wird die Winkelmessung mit dem Diopter dem ersten Universalmessinstrument beschrieben Alle Fragen ber das Wesen des Lichts ordneten die Griechen der Philosophie zu Obwohl die philosophischen Abhandlungen ber die Natur des Lichts von einem sehr spekulativen Cha rakter gepr gt sind haben die griechischen Theorien Bedeutung bis weit in die Neuzeit Die wichtigsten Lichttheorien der griechischen Philosophen sind e die Sehstrahlentheorie e die stoische Theorie e die epikurische Theorie e die Theorie Platons Nach der Sehstrahlentheorie welche unter anderem von Pythagoras um 500 v Chr vertre ten wurde sendet das Auge geradlinig Sehstrahlen aus Diese treffen auf den gesehenen K rper und der dort erlittene Aufprall wird vom Auge registriert Das Medium zwischen Auge und Gegenstand spielt keine Rolle Die Sehstrahlen werden als divergent beschrieben d h mit zunehmender Entfernung vom Auge wird der Abstand zwischen zwei Strahlen gr er Dadurch k nnen weit entfernte Gegenst nde nicht mehr wahrgenommen werden da sie sich im Zwischenraum zwischen den Strahlen befinden Euklid erkl rt in seinem Buch Optik die Ausbreitung der Sonnenstrahlen mit Hilfe der Sehstrahlentheorie Die stoisc
11. In der Praxis arbeitet man allerdings nicht mit P x sondern mit der Wellenfunktion Y x Es gilt 2 P p x 6 Die Wellenfunktion Y x bezieht sich stets auf ein Ensemble von Quantenobjekten d h eine Menge von identisch pr parierten Quantenobjekten die sich gegenseitig nicht beeinflussen Mit Hilfe von Y x k nnen die Probleme des Welle Teilchen Dualismus in der klassischen 26 Carl Friedrich von Weizs cker ber Bohrs Komplementarit tsprinzip 23 Physik quantentheoretisch berwunden werden Y x entwickelt sich nach den Gesetzen der klassischen Wellentheorie Die von Wasser Schall und elektromagnetischen Wellen be kannten Ph nomene wie Reflexion Beugung und Interferenz sind auch bei Y x zu finden Diese Interpretation der Wahrscheinlichkeitsdichte wurde von Max Born 1882 1970 27 begr ndet Im Jahre 1954 erhielt Born f r seine fundamentalen Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenphysik und insbesondere f r diese Inter pretation der Wellenfunktion den Nobelpreis f r Physik Die Kernaussage sei ner Interpretation lautet Die Wellenfunktion bestimmt die Wahrscheinlichkeit ein Quanten objekt im Volumenelement AV um den Ort x nachzuweisen P AV yO AV Mm Unter Hinzunahme des stochastischen Verhaltens von Quantenobjekten gelingt es in der Quantentheorie die Gegens tze von Wellen und Teilchentheorie zu vereinen Mit der Born schen Wahrscheinlichkeitsinterpretation werden die drei gro en Standbeine de
12. Kaltger tekabel hergestellt welche an den entsprechenden Buch sen der Frontplatten angeschlossen werden Die Kaltger testeckerbuchse ist in Abbildung 49 bzw 51 neben dem Hauptscha lter zu erkennen Die Buchse ist durch eine Sicherung abgesi chert Bei Tisch 1 ist eine 100MA 250 V Sicherung eingebaut bei Tisch 2 eine 2A 250 V Sicherung Das Sicherungsfach befindet sich direkt unterhalb der Buchse Beschriftung Use only with a 250 V fuse Beide Tische verf gen ber einen Hauptschalter Bei eingeschaltetem Hauptschalter brennt die Kontrollleuchte im Schalter und die Spannungsversorgung f r alle zu den Versuchen ge h renden Bauteilen ist hergestellt Dazu geh ren auch die Schukosteckdosen die sich im Inneren der Tische befinden Bei Tisch 1 ist dies eine Einfachsteckdose welche zur Span nungsversorgung der PC Lautsprecher verwendet wird In Tisch 2 ist eine Dreifachsteckdose eingebaut Hier sind das Anschlusskabel f r den Computer und das Steckernetzteil des Bild verst rkers eingesteckt Die dritte Dose bleibt ungenutzt Sie sollte nicht zur 230 V Versor gung weiterer elektrischer Ger te verwendet da die eingebauten Schutzsicherungen der Kaltger testeckerbuchsen gr enm ig nicht darauf ausgelegt sind Ferner wird bei eingeschaltetem Hauptschalter die Spannungsversorgung f r die in den K stchen hinter den Frontplatten befindlichen Netzteile die die 230 V Wechselspannung auf die ben tigte Gleichspannung herunter transfor
13. Leistung zu betreiben gt Bildquelle eigenes Foto 80 Abbildung 48 Photomultiplierbox mit markiertem Eingangsfenster Der lichtempfindliche Photomultiplier ist zur Streulichtabschirmung in einen Kasten einge baut Er sollte nicht bei Temperaturen unter 5 betrieben werden Das Eingangsfenster Blauer Kreis in Abb 48 ist mit einem Graufilter sowie einem Bandpassfilter gesch tzt Trotz dieses Schutzes sollte eine Bestrahlung des Eingangsfensters mit voller Laserleistung d h ohne zus tzliche Graufilter vermieden werden Diese k nnte zu einer Zerst rung des Pho tomultipliers f hren Im regul ren Versuchsaufbau wird der Laser durch die weiteren Graufil ter im Strahlengang ausreichend abgeschw cht Das normale Tageslicht und Raumbeleuchtungen sind aufgrund der direkt vorgeschalteten Kombination aus Grau und Bandpassfilter f r den Photomultiplier ungef hrlich Eine direkte Sonnenbestrahlung sollte vermieden werden Allerdings muss die Sensitivit t des Photomultiplierss mit Hilfe der Kontrollspannung V control den jeweiligen Lichtverh ltnissen angepasst werden W hrend dieser Anpassung muss der Laser bereits auf das Eingangsfenster justiert sein und bei voller Leistung laufen Ferner kann an den Bananenbuchsen schwarz amp gelb ein Voltmeter bzw Multimeter ange schlossen werden Abgegriffen wird hier die Kontrollspannung des Photomultipliers Der Messbereich ist zwischen 0 V und 1 V einzustellen Die Spannung kan
14. Ph nomene der Beugung eingeschr nkt Ta09 Gro en Wert legte Taylor auf die quantitative Untersuchung der Lichtabschw chung Dazu beleuchtete er den als Schirm verwendeten lichtempfindlichen Film mit unterschiedlich ab geschw chtem Licht Die Belichtungszeit bis zur vollst ndigen Schw rzung des Films ist pro portional zur Intensit t des abgeschw chten Lichts Taylor beleuchtete mit einer Gasflamme einen schmalen Spalt Mit dem entstehenden Lichtstrahl der noch durch die Rauchglasschei ben abgeschw cht wurde beleuchtete er eine Nadelspitze Ziel war die Beobachtung der Ph nomene im Schattenwurf der Nadelspitze Bei kurzer Belichtungszeit zeigen sich stochastisch verteilte Schw rzungen auf dem Schirm Jede Schirmstelle absorbiert einen ganz bestimmten Energiebetrag Dieser experimentelle Befund l sst sich nicht mehr mit der Wellentheorie erkl ren Die einzelnen Treffer auf dem Schirm offenbaren den Teilchencharakter der Lichtquanten Zur Beschreibung der stochasti schen Verteilung der Treffer ist die Wahrscheinlichkeitstheorie notwendig Erst bei einer l n geren Belichtungszeit und gleichzeitig weiterhin geringer Lichtintensit t tritt das klassische Interferenzmuster auf das seit Thomas Young mit Hilfe der Wellentheorie erl utert werden kann Es entspricht dem Muster das auch bei hoher Lichtintensit t entsteht Die Existenz von Interferenzerscheinungen ist also unabh ngig von der Anzahl der Quantenobjekte Taylor wies damit e
15. Untersuchung der Geschwindigkeit dieser Wellen folgerte Maxwell Diese Geschwindigkeit stimmt so gut mit der Lichtgeschwindigkeit berein dass wir anscheinend allen Grund zur Annahme haben das Licht sei eine elektromagnetische St rung die sich in Form von Wellen durch das elektromagnetische Feld den Gesetzen des Elektromagnetismus entspre chend fortpflanzt 6 Im Jahre 1888 konnte Heinrich Hertz 1857 1894 anhand seiner Dipolexperimente die Exis tenz der elektromagnetischen Wellen nachweisen und ihre Wesensgleichheit mit den Licht wellen aufzeigen Damit war die Annahme Maxwells auch experimentell best tigt Die Wellentheorie von Christiaan Huygens wurde weiter untermauert Bildquelle des Portraits www physik lexikon de physiker php J C Maxwell A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field in Si90 S 356 15 2 7 Das Michelson Morley Experiment Die Widerlegung der ther Theorie In der Vorstellung der Physiker des 19 Jahrhunderts f llt der ther den ge samten Raum aus Er ist der Wellentr ger des Lichts sowie aller anderen elektromagnetischen Erscheinungen Die Erde bewege sich relativ zu diesem ii les j ther so die Annahme Es fehlte allerdings der experimentelle Nachweis des thers Diesen wollte Albert Michelson 1852 1931 im Jahre 1881 erbringen In seinem Experiment sollte die Geschwindigkeit des Lichts in der Bewegungsrichtung der Erde mit der Lichtgeschwindigkeit s
16. anschlie en In 35 weitere technische Informationen zu den eingesetzten Filtern siehe Herstellernachweis im Anhang 30 nerhalb des Durchlassbandes haben die Filter eine Durchl ssigkeit von etwa 80 und au er halb dieses Bereiches sperren sie nahezu vollst ndig Das Durchlassband wird charakterisiert durch die Angabe einer Center wavelength CWL in der Mitte des Durchlassbereiches Die Halbwertsbreite FWHM3 ist die zweite charakteristische Gr e der Bandpassfilter Sie gibt die Breite der Transmissionskurve bei der H lfte des halben Transmissionsmaximums an 4 High Index Layer Dielectric Reflector 14 Low Stack Index Layer gt Cavity Spacer Layer 7 2 Thick Dielectric Reflector Stack Coupling Layer Dielectric Reflector Stack Cavity Spacer Layer 1 2 Thick Dielectric Reflector Stack Abbildung 8 Der schematische Aufbau eines Interferenz Bandpassfilters Der Bandpassfilter besteht aus verschiedenen Schichten Borosilikatglas Diese Glasart erlaubt die Transmission von Licht der Wellenl ngen 300 nm bis ins nahe Infrarot F r UV Licht ist Borosilikat Glas nicht geeignet Borosilikat Glas wird im Wesentlichen aus Siliziumoxid ca 80 und Boroxid ca 12 gefertigt Die einzelnen Schichten werden zu Kammern zu sammengefasst Der verwendete Filter besteht aus mehreren Kammern Der schematische Aufbau dieser Kammern ist in Abbildung 8 dargestellt Die einzelnen Kammern sind durch Abstands
17. bietet die M glichkeit sich ein Intensit tsprofil einer zuvor ausgew hlten ROI Region of Interest anzeigen zu lassen Die ROI ist blicherweise eine Zeile oder Spalte Frei definierte Geraden oder Polygonz ge sind aber ebenfalls m glich Im Dialogfenster neben dem Intensit tsprofil lassen sich die obere und untere Grenze der anzuzeigenden Intensit ten einstellen Ferner l sst sich der angezeigte Abschnitt ver ndern Neben der Darstel lungsart des Intensit tsprofils sind auch die Farben der Profile und des Hintergrundes w hlbar 89 1 3 3 Einstellung und Justage der Kamera Zu Beginn der eigentlichen Versuchsdurchf hrung sollte die Justage der Kamera berpr ft werden Nur dann kann ein Abbild des Interferenzmusters visualisiert werden Folgende Schritte sind dabei zu beachten Starten einer Live Aufnahme im Darstellungsfenster der ISERFIRE 1 Datei Das Bild erscheint in einer Graustufendarstellung Zur leichteren Justage empfiehlt sich das Einstellen einer Farbpalette vgl vorheriges Kapitel Lokalisierung des Interferenzmusters Der Bereich des Interferenzmusters kann wenn gew nscht vergr ert dargestellt werden Wenn das Interferenzmuster in der Bilddarstellung zu sehen ist bedarf es keiner weiteren Justage erforderlich Die Objektive der Kamera sind fest justiert Ein Nachstellen der Sch rfe ist nicht n tig Problembehebung Kein Bild Ist keinerlei Bild vorhanden berpr fen Sie bitte ob die Kame
18. den Mittelpunkt Dieser Effekt konnte nicht mit der klassischen Wellentheorie erkl rt werden Die klassische Wellentheorie des Lichts eignet sich vortrefflich zur Beschreibung von Ph nomenen betreffend die Lichtausbreitung und hatte gerade ihre scheinbare Vollendung in den Maxwell Gleichungen erfahren Hertz selbst hatte sie experi mentell best tigt Und doch mussten sie nun wieder in Frage gestellt werden Nach den Maxwellschen Gleichungen h tte sich die Energie der freigesetzten Elektronen kontinuierlich mit der Lichtintensit t ndern m ssen Die Energie ist als kontinuierliche Raumfunktion auf zufassen Dies steht nicht im Einklang mit den experimentellen Ergebnissen beim Photoef fekt 3 2 Einsteins Lichtquantenhypothese der theoretische Nachweis der Teilchentheorie Erst im Jahr 1905 lieferte Albert Einstein 1879 1955 die theoretische Erkl rung des Photoeffekts Seine Lichtquantenhypothese f r die er 1921 den No belpreis erhielt publizierte er in den Annalen der Physik Band 17 unter dem 8 Bildquelle des Portraits www bingo ev de kg666 verschie physiker physiker htm Bildquelle des Portraits www nobel se physics laureates 1921 The Nobel Foundation 18 Titel ber einen die Erzeugung und Verwandlung von Licht betreffenden heuristischen Ge sichtspunkt Die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Undulationstheorie des Lichtes hat sich zur Darstellung der rein optischen Ph
19. der erwartete Mittel wert der Photonenanzahl pro Aufnahme 7 Bildquelle WinSIS Screenshot des Darstellungsfensters 60 Die experimentellen Bedingungen sind durch die Wahl der Graufilter und des Bildverst rkers sowie die Einstellung der Darstellungsgrenzen Lower Limit Upper Limit so gew hlt dass im Mittel ein Photon pro Aufnahme erwartet wird Daher wird f r die erwartete Poisson Verteilung der Erwartungswert A 1 setzt Untersucht wurde in mehreren Messreihen die An zahl der auftreffenden Photonen pro Aufnahme Tabelle 1 Gelistet wurde die Anzahl der Aufnahmen mit der jeweiligen Photonenanzahl Aus der Gesamtsumme der Aufnahmen und der Gesamtsumme der in diesen Aufnahmen im Verlauf der Messreihe detektierten Photonen kann der Mittelwert f r die Anzahl der detektierten Photonen pro Ereignis errechnet werden Zus tzlich zu den drei einzelnen Messreihen wurden die Ergebnisse der Messreihen aufad diert Anzahl der detektierten Photonen 0 1 2 3 4 5 x der Er x der Mittelwert eignisse Photonen Photonen pro Ereignis Anzahl der Ereignisse 1 Messreihe 0 832 Verteilung der Ereignisse in Anzahl der Ereignisse 2 Messreihe 0 996 Verteilung der Ereignisse in Anzahl der Ereignisse 3 Messreihe 1 007 Verteilung der Ereignisse in Summe der Ereignisse 0 948 Verteilung der Ereignisse in Theoretische Poisson Verteilung in 9 36 8 36 8 184 61 16 03 100 0 1 Tabelle 1 Messreihen Anzahl detektierter Photonen Die Mess
20. des Simultankontrasts vgl Kap Il 3 kann der rote Schirm durch wei es Papier abgedeckt werden Um die Struktur des Musters deutlicher zu machen kann des Weiteren eine Linse zwischen Doppelspalt und Schirm eingesetzt werden Die erforderli che Halterung ist bereits eingebaut und kann nach L sen der Inbusschrauben auch l ngs der optischen Achse verschoben werden Im unteren Teil des Doppelspalts sind vor den Spalten Polarisationsfolien angebracht Das Laserlicht wird durch die Filter polarisiert Es ist dann kein Interferenzmuster auf dem Schirm erkennbar siehe auch Kap Il 3 1 2 2 H rbarmachen von Photonen Abbildung 47 H rbarmachen von Photonen Bei Tisch 1 wird neben der Stromversorgung der Laser auch die Versorgung des Photomul tipliers der Photomultipliersteuerelektronik und der Lautsprecher durch den Hauptschalter geschaltet Das Potentiometer Laser 2 steuert den Laser dieses Versuchs Der Nullanschlag des Potentiometers befindet sich rechts unten Der Drehsinn von null zum Maximum ist ge gen den Uhrzeigersinn Abb 49 Zu Beginn des Versuchsbetriebs ist die exakte Position des Laserstrahls zu kontrollieren Es ist darauf zu achten dass der Laserstrahl das Eingangsfenster des Photomultipliers exakt trifft Dies ist in der Regel der Fall Es kann aber durch Transportersch tterungen zu Abwei chungen kommen die zu korrigieren sind W hrend dieser Justage des Versuchs ist es emp fehlenswert den Laser bei voller
21. die Natur des Lichts von Kepler bis Michelson 2 1 Johannes Kepler Vater der modernen Optik Im 17 Jahrhundert entstehen die ersten Lichttheorien welche eine umfassen de Vorstellung ber die Natur des Lichts postulieren Sie geben eine umfas sende Beschreibung und Deutung der bei der Entstehung und Ausbreitung des Lichts beobachteten Ph nomene Der deutsche Astronom Johannes Kepler 1571 1630 gilt als Begr nder der modernen Op tik In seinem Werk Astronomia Pars Optica ver ffentlicht 1604 behandelt Kepler eine F lle optischer Fragestellungen Den ersten Teil der Fragen der reinen Optik zum Schwer punkt hat beginnt er mit einem Kapitel ber die Natur des Lichts Das Licht ist f r Kepler ein von Gott geschaffenes Mittel zur Formulierung und Belebung aller Dinge Ferner schreibt er ber Experimente mit der Lochkamera und mit Spiegeln F r Kepler gehen unendliche Licht strahlen von jedem Punkt einer Lichtquelle in alle Richtungen aus Seine Vorstellung ber das Wesen des Lichts hnelt der Vorstellung des Arabers Ibn Al Haitham Kepler besch ftigt sich auch mit dem Brechungsgesetz das Thomas Harriot 1560 1621 als geometrische Abbil dungsvorschrift formulierte und das heute nach Willebrod Snellius 1591 1626 benannt wird Im zweiten Teil der Astronomia Pars Optica behandelt Kepler praktische Anwendungen sei ner Lehre der reinen Optik auf dem Gebiet der Astronomie Er beschreibt unter anderem ve
22. ea Cladding lawer Active layer MaW structure Cladding lawer Substrate Misoriented structure Electrode 0L Di Abbildung 7 Struktur des Laserchips In der Mitte des Chips befindet sich die aktive Schicht in Abb 7 schwarz eingef rbt die eine strained MQW Multiple quantum well Struktur besitzt Die MQW Struktur besteht aus sehr d nnen Kristallschichten der Halbleitermaterialen Die Gesamtdicke der aktiven Schicht betr gt einige Nanometer und ist damit in der Gr enordnung der de Broglie Wellenl nge der Elektronen Diese aktive Schicht ist von mehreren Schutzschichten ummantelt Die Ober und Unterseite des Laserchips bilden Elektroden an die Spannung angelegt werden kann Bei einer Span nung in Durchlassrichtung rekombinieren am p n bergang Elektronen und L cher Dabei wird die freiwerdende Energie als Licht emittiert Bei entsprechend hohen Str men durch den p n bergang findet aufgrund induzierter Emission Lichtverst rkung statt BS93 S 884 Die Laseremission ist auf eine extrem schmale Zone um den p n bergang beschr nkt Oh ne angelegte Spannung hat das Ferminiveau einen konstanten Wert ber den gesamten p n bergang Die B nder der p und n Regionen sind gegeneinander verschoben Wird eine Spannung in der Gr enordnung der Energiel cke in der Durchlassrichtung der Diode ange legt so produziert man einen Fluss von L chern von der p Region in den p n bergang Dadurch entsteht
23. ersten Weg in Bewegungsrichtung des Strahles aus der Lichtquelle Anschlie end wird die Apparatur um 90 Grad gedreht und der zweite Weg vermessen Die Lage der Interferenzstreifen h ngt von dem Zeitunterschied ab den die Teilstrahlen von der Trennplatte zu den Spiegeln und wieder zur ck ben tigen W re die therhypothese richtig so h tten die beiden Lichtstrah len nach der Drehung der Apparatur ihre Rollen vertauschen m ssen Dadurch w rde sich das Interferenzmuster verschieben Michelson und Morley stellten aber keinerlei Verschie bung fest Die Ergebnisse des ersten Experiments von Michelson waren best tigt F r seine experimentellen Leistungen erhielt Albert Michelson 1907 den Nobelpreis f r Physik 17 3 Das 20 Jahrhundert Die Natur des Lichts im quantenphysikalischen Kontext 3 1 Der Photoeffekt die R ckbesinnung auf die Teilchentheorie In den Jahren 1887 88 entdeckten Heinrich Hertz 18 und sein Sch ler Wilhelm Hallwachs den Photoeffekt Als lichtelektrischen Effekt wie der Photoeffekt auch genannt wird wird die Bildung und Freisetzung elekt risch geladener Teilchen aus Materie bei Bestrahlung dieser Materie mit Licht oder allgemein mit elektromagnetischer Strahlung bezeichnet Beim u eren Photoef fekt werden aufgrund der Bestrahlung mit Photonen Elektronen aus der Oberfl che eines metallischen Leiters freigesetzt Damit r ckte experimentell ein Aspekt der Lichterzeugung und Lichtverwandlung in
24. ganze Lichtenergiebeitr ge auf Die Energie des Lichts ist nach Einstein in den Lichtteilchen geb ndelt wobei die Art der B ndelung urs chlich von der Wellengr e Frequenz abh ngt 3 3 Der Compton Effekt experimenteller Nachweis der Photonen Der Amerikaner Arthur Compton 1892 1962 22 untersuchte 1922 die Streu ung monochromatischer R ntgenstrahlung an Kristallen Dabei beobachtete er bei der gestreuten Strahlung einen Energieverlust bei gleichzeitiger Wellenl n genzunahme Dies erkl rte er mit dem sp ter nach ihm benannten Compton Effekt Beim Zusammensto eines Photons mit einem Elektron bertr gt das Photon einen Teil seiner Energie auf das Elektron Mit diesem Versuch war Arthur Compton der erste ex perimentelle Nachweis von Photonen gelungen Seine Ergebnisse wurden kurze Zeit sp ter durch die Nebelkammerexperimente von Charles Wilson best tigt F r ihre Untersuchungen erhielten Compton und Wilson 1927 den Nobelpreis 3 4 De Broglies Materiewellen der vollst ndige Welle Teilchen Dualismus Mit Hilfe der Einsteinschen Lichtquantenhypothese war dem bisher als wellen artig eingestuften Licht Teilchencharakter zugewiesen worden Der Franzose Louis Victor de Broglie 1892 1981 23 stellte 1924 in seiner Dissertation Re cherches sur la Theorie des Quanta eine Theorie der Materiewellen auf Er behauptete in dieser Theorie dass physikalische Objekte die wir bislang als Teilchen einge
25. gesteuert wird kann die Leistung des Lasers im Bereich zwischen 0 und 1mW geregelt werden Die Module ben tigen 5 V Gleichspannung bei einer Stromaufnahme von 35 mA Der Fokus der Module ist fest auf unendlich eingestellt bei einem Strahldurchmesser von 2 mm am Modul Die Laserdiodenmodule werden bei allen drei Experimenten als Lichtquelle eingesetzt Da durch kann ausgeschlossenen werden dass das Auftreten der unterschiedlichen Ph nomene durch die Wahl der Lichtquelle beeinflusst wird 29 1 2 Die verschiedenen Filter und ihre Funktionsweise Um den Teilchencharakter des Lichts experimentell nachweisen zu k nnen muss die Anzahl der Photonen pro Zeiteinheit reduziert werden Dadurch schafft man die Voraussetzung dass einzelne Photonen isoliert nachgewiesen werden k nnen Deshalb wird der Laserstrahl durch diverse Filter abgeschw cht und damit die Anzahl der am jeweiligen Detektor an kommenden Photonen reduziert Haupts chlich werden neutrale Graufilter verwendet Die Graufilter bestehen aus transparen tem Glas das einen Teil des Lichts ohne Streuung und Richtungs nderung durchl sst w h rend der andere Teil des Lichts absorbiert bzw reflektiert wird Der spektrale Transmissionsgrad hat folglich einen Wert kleiner 1 Da der Transmissionsgrad der verwen deten Filter wellenl ngenunabh ngig ist wird diese Filterart als Graufilter bezeichnet im Unterschied zu Farbfiltern deren Transmissionsgrad wellenl ngenabh ngig ist D
26. mit sehr wenigen Photonentreffern Die theoretische Intensit tsverteilung f r das Doppelspaltinterferenzbild auf dem Schirm wird mit Formel 11 8 berechnet Wobei amp die Phasendifferenz zwischen den Strahlen von der oberen und unteren Kante jedes einzelnen Spaltes ist 2 T P d sin a 12 und die Phasendifferenz der Strahlen die von den Mittelpunkten beider Spalten kommen 2T asina 13 8l Formel 11 12 und 13 entnommen aus Ti94 S 1130 67 Setzt man die Formeln 12 und 13 in Formel 11 ein so erh lt man f r die Intensit tsver teilung bei der Beugung am Doppelspalt die Formel er l T I a 4 1 rn 14 qa sin la mit Io Lichtintensit t auf dem Schirm die von der Welle von einem einzelnen Spalt herr hrt Wellenl nge des Lichts a Spaltbreite d Spaltabstand a Beugungswinkel F r die experimentellen Daten des aufgebauten Versuchs ergibt sich nach Formel 14 fol gende Intensit tsverteilung Abb 43 2 1 a 1 z Abbildung 43 Theoretische Intensit tsverteilung In Abbildung 43 ist die Intensit t in Abh ngigkeit vom Beugungswinkel aufgetragen Die Intensit tsverteilung f r das Interferenzbild am Doppelspalt ist blau dargestellt in gr n dar 68 stellt ist die Intensit tsverteilung f r das Beugungsbild am Einzelspalt Die Einzelspaltvertei lung ist die Einh llende der Doppelspaltverteilung dar Die Verteilung ist gemeinschaftlich
27. ungest rt voneinander verschiedene Gegenst nde betrachten Christiaan Huygens behandelte die Lichtwellen in seiner Theorie aufgrund der Analogie zu den Schallwellen als longitudinale Schwingungen Auch Robert Hooke bekanntlich einer der sch rfsten Rivalen Newtons betrachtete in seinem Werk Mikrographia 1665 Licht als Wellenbewegung Experimentell besch ftigte er sich mit Farberscheinungen an d nnen Schichten und erkl rte diese mit der Wellentheorie Huygens Allerdings vermutete er anderes als Huygens transversale Wellen Zu Beginn des 18 Jahrhundert standen sich somit Huygens Wellentheorie und Newtons Teilchentheorie kontr r gegen ber Aufgrund der gro en Popularit t und Autorit t die Isaac 9 Newton unter den europ ischen Physikern genoss setzte sich die Korpuskulartheorie als Lehrmeinung in Europa durch Die Wissenschaftshistoriker6 bewerten Newtons Opticks im Vergleich zur Abhandlung ber das Licht von Huygens als das sprachlich und fachlich aus gereiftere Buch Die Entwicklung der Lichttheorien stagnierte im 18 Jahrhundert auf dem Stand einer teilweise vereinfachten Teilchentheorie Die R ckwendung zur Undulationstheo rie erfolgt erst zu Beginn des 19 Jahrhunderts 2 4 Der experimentelle Nachweis des Wellencharakters Das Youngsche Doppelspaltexperiment Der Engl nder Thomas Young 1773 1829 8 beschreibt das Licht als Ab folge periodischer Wellenz ge Er berichtet in drei Ver ffentlichun
28. 230 V Wechselstrom via Kaltger testecker Einschalten der Apparatur am Hauptschalter ACHTUNG Der Laser ist bei eingeschaltetem Hauptschalter in Betrieb NICHT in den Strahl blicken Laserklasse 2 Anschlie en von Maus und Tastatur an den entsprechenden Buchsen der Frontplatte Anschlie en eines PC Bildschirms oder eines Beamers Anschluss Monitor Beamer Einschalten des Computers Druckschalter an der Vorderseite des Rechners WinSIS wird automatisch gestartet WinSIS 97 berpr fung der korrekten Justage der Kamera und Einstellen des gew nschten Bild ausschnitts Einstellen der gew nschten Laserleistung mit Hilfe des Potentiometer Laser Auswahl des gew nschten Betriebsmodus Live Aufnahme Schnappschuss Single Photon Imaging F 10 Aufnahme einer Film Sequenz Erstellen eines Projekts Einsatz der weiteren Applikationen von WinSIS Darstellung in verschiedenen Farbspektren Darstellung verschiedener Intensit tsprofile Hinweis Alle WinSIS Funktionen werden ausf hrlich in der WinSIS Hilfe erkl rt F1 94 3 Herstellernachweis Laserdiodenmodule LAS 63 01 L maximale Leistung 1mW Wellenl nge 635 nm Conrad Electronic Hirschau www conrad de Bestellnummer 187593 62 Neutrale Graufilter Transmission 10 36 4695 1 36 4729 5 36 4703 0 05 436 4760 Coherent Deutschland Dieburg www coherent de 98 Bandpassfilter CWL 635 nm 42 5421 Coherent Deutschland
29. 58N sowie zwei Widerst nden die den Schwellenwert der Hysteresekurve definieren Das Eingangssignal wird mit der Betriebsspannung vergli chen Das Ergebnis dieses Vergleiches kann an der Ausgangsspannung abgelesen werden berschreitet das Signal der Anode den eingestellten Schwellenwert schaltet sich das Aus gangssignal der Trigger Schaltung um Wird der Schwellwert nicht berschritten bleibt das Ausgangssignal bei seinem aktuellen Wert Die Schaltung selektiert so zwischen geeigneten Ereignissen im Photomultiplier und nicht verwertbarem Untergrund In einer zweiten Kompa rator Schaltung OP 5 LM311N wird das Output Signal der ersten Komparatorschaltung mit einer variablen Vergleichsspannung verglichen Hierdurch findet eine zweite Selektion zwi schen brauchbaren und unbrauchbaren Ereignissen statt wobei die Grenze zwischen brauchbaren und unbrauchbaren Ereignissen mittels der Vergleichsspannung frei einstellbar ist In einer dritten Komparatorschaltung Monoflop 74121N wird f r jedes brauchbare Er eignis ein einzelner Spannungsimpuls ausgel st Mit Hilfe einer Potentiometer Kondensator Schaltung kann die L nge der Spannungspulse die an die Aktivlautsprecher geliefert werden eingestellt werden Diese Spannungsimpulse werden vom Verst rker der angeschlossenen Aktiv Boxen verst rkt und anschlie end als einzelne Audio Signale Knacks am Lautsprecher ausgegeben Schaltplan siehe Abb 57 Elektronik Layout im Anha
30. Das Licht fasziniert Wissenschaftler und Forscher seit Menschengedenken Die Frage nach dem Wesen des Lichts stellt sich auch im Physikunterricht der Oberstufe In der vorliegenden Arbeit werden drei Demonstrationsexperimente zum Dualismus des Lichts vorgestellt die sich zum Einsatz in der Schule eignen In zwei Basisversuchen werden die zwei grundlegenden Charaktere des Lichts experimentell dargestellt Mit Hilfe eines Photomultipliers und einer angeschlossenen Elektronik werden Photonen eines abgeschw chten Laserstrahls h rbar gemacht Das Auftreffen der Photonen am Einlassfenster des Photomultipliers wird durch Audio Signale angezeigt Das Licht zeigt in diesem Versuch seinen Teilchencharakter Der Wellencharakter wird in den Resultaten des zweiten Basisversuches deutlich Der Laserstrahl wird an verschiedenen Spalten gebeugt und erzeugt Interferenzmuster auf dem Schirm Der Teilchen und der Wellencharakter des Lichts bilden historisch die Basis des Dualismusprinzips Physiker versuchen damit die Natur des Lichts umfassend zu erkl ren Allerdings erscheinen die Eigenschaften des Lichts zu vielf l tig als dass eine Reduktion auf die Verkn pfung zweier scheinbar kontr rer Modelle dem Sachverhalt Rechnung tr gt Im Hauptversuch werden mehrere Facetten der Natur des Lichts experimentell dargestellt Das Doppelspaltexperiment wird mit einzelnen Photonen durchgef hrt die mit einem Bild verst rker und einer Digitalkamera visualisiert werden Jed
31. Das Muster besteht aus einem Wechsel zwischen hellen und dunklen Streifen den Interfe renzmaxima und Interferenzminima Beim Doppelspalt sind sie Resultat zweier sich berla gernder Ereignisse Zum einen die Beugung der Wellen an den einzelnen Spalten zum anderen die Interferenz am Doppelspalt Die Intensit tsverteilung der Beugung am Spalt bil det die einh llende Kurve der Interferenzverteilung am Doppelspalt gt Bildquelle eigene Bild gt Bildquelle eigene Bilder 44 Die Interferenzmaxima werden nach au en hin lichtschw cher Um mehr Maxima auf dem Schirm sichtbar zu machen wird ein roter Schirm eingesetzt Durch den farbigen Schirm ist der Farbunterschied zwischen Interferenzph nomen und Hintergrund gering Es wird hierbei die Physiologie des Auges ausgenutzt Ein physikalischer Reiz des Auges wird in Abh ngig keit von der jeweiligen Umgebung unterschiedlich wahrgenommen um stets zu gew hrleis ten dass ein ausreichender Unterschied zur Umgebung erkannt wird Im Empfindungsmechanismus des Auges gibt es eine Art Kontraststeigerung die dem Gehirn hilft sehr geringe Farbunterschiede empfindungsm ig zu vergr ern das hei t deutlicher zu machen Dieses Ph nomen wird in der Physiologie als Simultankontrast des Auges be zeichnet Treffen gleichzeitig verschiedene Helligkeits und Farbreize an benachbarten Netzhautstellen ein k nnen Randunsch rfen auftreten Diese werden durch eine verst rkte Dunkel bzw Gegenfarbem
32. Dieburg www coherent de Photomultiplier Modul H 5784 Hamamatsu Photonics Herrsching www hamamatsu de Stativmaterial Spindler amp Hoyer www spindlerhoyer de Lautsprecher Aktiv Boxen LS 28 PC Lautsprecherset Conrad Elektronik Hirschau www conrad de Bestellnummer 994634 Frontplatten Schaeffer Apparatebau Berlin www schaeffer apparatebau de Linsen f 50 mm Spindler amp Hoyer www spindlerhoyer de Doppelspalte Mechanische Werkstatt des Instituts f r Physik JoGu Universit t Mainz CCD Kamera Theta System Elektronik GmbH Gr benzell www theta system de 8 Die Firma Coherent Inc hat ihre Optikabteilung an die Firma Ealing Inc Rocklin CA verkauft N here In formationen unter www ealingcatalog com Die Firma Spindler amp Hoyer wurde von der Firma Linos G ttingen bernommen 95 PC Programm WinSIS Version 6 02 d Theta System Elektronik GmbH Gr benzell www theta system de Bildverst rker Proxitronic Bensheim www proxitronic de Kamera Objektive C 1614 M C 2515 M Pentax Cosmicar Hamburg www cosmicar de Graufilter100 2fach 4fach 8fach ND 4 0 ND 6 0 Heliopan Gr feling www heliopan de Profile f r Tische Elektronik K stchen ISEL Eichenzell www isel de Elektronik Layoutprogramm Eagle CadSoft Pleiskirchen www cadsoft de 10 Zum Aufschrauben auf das Kamera Objektiv 96 4 E
33. Dynode mehrere Sekund relektronen emittiert Die Sekund relektronen werden auf die n chste Dynode beschleunigt und l sen dort ihrer seits einen Schauer von neuen Sekund relektronen aus Dieser Vorgang wiederholt sich an den darauf folgenden Dynoden KI92 S 146 Bei einer Spannung von etwa 800 V wird f r die eingebaute Bialkali Kathode eine Verst rkung von cirka 7 105 erreicht Die Abh ngigkeit der Verst rkung von der Spannung ist in Abbildung 14 logarithmisch aufgetragen Der Graph zeigt den Verlauf f r die verwendete R hre A740 Abbildung 14 Typische Verst rkercharakteristik Bildquelle www hamamatsu de 42 entnommen aus Ha98 S 4 37 Die Sekund relektronen treffen am Ende der Dynodenreihe auf die Anode Der Strom wird ber einen Widerstand als Output Signal der Photomultiplier R hre an den Verst rker wei tergegeben Die Form des Anodensignals soll das Signal des einfallenden Lichts m glichst unverf lscht wiedergeben Zur Verbesserung der Signalqualit t ist der Verst rker nahe des Anoden Output Pins der Photomultiplierr hre angeordnet Da es sich bei der Messung von Licht um ein Hochgeschwindigkeitsereignis handelt ist das zeitliche Verhalten des Photo multipliers von entscheidender Bedeutung f r die Signalqualit t Bei der eingebauten R hre sind die Abst nde zwischen Photokathode Dynoden und Anode bestm glich minimiert Ge meinsam mit dem hohen elektrischen Feld wird dadurch eine
34. Height 480 4 Type u16 Function none Abbildung 53 WinSIS ImageManager Neben ISERFIRE 1 k nnen weitere Bildspeicherdateien generiert werden Die neuen Bild speicher werden im Image Manager unter der bereits vorhandenen Datei ISERFIRE 1 aufge listet Abb 53 Nr 1 rot unterlegt Es kann zwischen zwei verschiedenen Arten der Generierung gew hlt werden Durch den Smart Icon Neues Bild generieren Abb 53 Nr 8 wird ein Dialogfenster Abb 54 ge ffnet in dem die verschiedenen Bildeigenschaften einge stellt werden k nnen EEE Name x Offset fo v Y Offset fo ancel width 640 x Height 450 Number j Disk RES Type U16 Hell IServer ISERFIRE 1 Da p Abbildung 54 Dialogfenster New Image 4 Der Name der Datei kann beliebig gew hlt werden Wird kein Name gew hlt wird die neue Datei mit NEW 1 bezeichnet jede weitere Datei mit der entsprechenden fortlaufenden Num 86 mer NEW 2 usw Die Gr e der Bilddatei wird durch H he und Weite definiert ein Offset in horizontaler und vertikaler Richtung kann ebenfalls eingestellt werden Die vom Programm voreingestellten Werte sind f r den Versuch geeignet und brauchen nicht modifiziert zu wer den Number bezeichnet die Anzahl der anzulegenden Speicherbereiche Bei Zahlen gr er als 1 werden Sequenzen in der L nge des jeweiligen Number Werts erstellt Es kann ferner zwischen verschiedenen Datentypen gew hlt werd
35. Huygens sieht in jeder kleinen Stelle eines leuchtenden K rpers einen Ausgangspunkt einer Welle deren Mittelpunkt diese Stelle ist Die Ausbreitung dieser Wellen erfolgt nach diesem Prinzip welches sp ter nach Huygens und Fresnel benannt wurde In jedem Punkt einer Wellenfront sitze ein Streuzentrum von dem wieder eine Kugelwelle ausgeht Alle diese Kugelwellen berlagern sich dann zu einer neuen Wellenfront Ge95 S 172 Bei der Fortpflanzung der Welle teilt jedes Teilchen nicht nur dem in gerader Linie liegenden Teilchen die Bewegung mit sondern allen benachbarten Teilchen Obwohl die therteilchen nach Huygens Theorie ohne erkennbare Ordnung nebeneinander liegen breitet sich das Licht stets geradlinig aus Jedes Teilchen ist Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle Allerdings muss jeder Wellenteil sich in der Weise ausbreiten dass seine u ersten Grenzen immer zwischen den vom leuchtenden Punkte aus gezogenen Linien bleiben Hu64 5 24 Aus den Fronten der Einzelwellen l sst sich eine die Bewegung abgrenzende Welle bilden Die Wellen die von einem leuchtenden Objekt ausgehen vereinigen sich zu einer einzigen Welle Die aus verschiedenen Richtungen kommenden Wellen durchkreuzen sich ungest rt Ein therteilchen kann dabei mehrere Wellen aus verschiedenen Richtungen ungest rt fortpflan zen Sich durchdringende Lichtstrahlen ben keine Wirkung aufeinander aus Daher k nnen zwei Personen durch eine kleine ffnung
36. Kon struktionen in seinem eigenen Kopf verpflichtet Le00a 5 24 Die Sch lerinnen und Sch ler erfahren dass sich die Ph nomene der Quantenphysik h ufig nicht mehr durch bekannte Konzepte vollst ndig und widerspruchsfrei beschreiben lassen Neue Ans tze werden n tig Der Einstieg in den Themenkomplex erfolgt in Grund und Leistungskurs mit den Bausteinen Mechanische Schwingungen bzw Mechanische Wellen In diesen Bausteinen sollen formale und begriffliche Grundkenntnisse vermittelt werden Le 99 S 26 Es wird neben der Entstehung und Ausbreitung von Wellen erstmals das Interferenzprinzip erkl rt Im Zusam menspiel mit dem Baustein Wellenoptik 1 ist die Einf hrung des Wellenmodells des Lichts vorgesehen In Anlehnung an die historische Entwicklung empfiehlt der Lehrplan an dieser Stelle den Einsatz des Doppelspaltexperiments im klassischen Sinne Erg nzend oder er satzweise sind auch andere Experimente m glich Le99 S 41 Das Doppelspaltexperi ment nach Thomas Young wird in der vorliegenden Arbeit mit erg nzenden Versuchsvarianten vorgestellt variable Spaltbreite Polarisationsfilter mit und ohne Lin se vgl Kapitel 11 3 1 Der Wellencharakter des Lichts kann experimentell erarbeitet wer den Der bergang von der klassischen Wellentheorie zur quantenmechanischen Betrachtungs weise wird experimentell durch die Reduzierung der Lichtintensit t beim Doppelspaltversuch realisiert Anhand
37. NG 42 INTENSIT TSVERTEILUNG veee eree aie enee rE EEE pE ekitte kei NE Eet S e aei r Erer erek E Rr nenn 67 NG 43 THEORETISCHE INTENSIT TSVERTEILUNG uuesessssessssseesnnennsnneennnsnnnnnennnnnnnnnsenennnenennnnnnnsnn een nnenn 68 NG 44 INTENSIT TSVERTEILUNG MIT LOGARITHMISCHER SKALA eeeeneeeessnnnnessensnnnensnnnennnnnnenne nenn nenne 69 NG 45 TISCH l LINKS UND TISCH 2 RECHTS IN DER GESAMTANSICHT ueceeensneessnneeenseeeeennen een ennn nn 76 NG 46 DOPPELSPALTVERSUCH MIT VERSTELLBAREM DOPPELSPALT zeeesesnnessnnenennessnnnennnnnnnnnenennennnn 79 NG 47 H RBARMACHEN VON PHOTONEN uuueneseesssnesssesssnnensnnnnnnnnnennennnnnnnnnnsnnennsnnnnnennnseennnsensnnsnnnssann 80 NG 48 PHOTOMULTIPLIERBOX MIT MARKIERTEM EINGANGSFENSTER uaeeessseesnnnenessnenensensnnnennnnen een nenn 8l NG49 FRON TPA TTE TISCH a a E a EEE KNE 82 NG 50 DOPPELSPALTVERSUCH MIT EINZELNEN PHOTONEN ueeesssesssseessnnennenneesnnsnennnnnnnnsennensen nennen 83 NG 91 ERONTPE TTE TISEH 2 22 22 al EE ICE rent 84 NG 325 WINSIS DESKTOP 2 22 22 2a una Ruagnnlsennebeiklenebee 85 NG 53 WINSIS IMAGEMANAGER aeeessnesssnenenensensnnnssnnnensnnnennnsnennnnennnensennnsneennsnennnennnsnennnsensnnsennssns sense 86 NG 54 DIALOGFENSTER NEW IMAGE aeneae neen E EE A E 86 NG 55 A IMAGE OPTIONS BOX LINKS 55 B INFORMATIONSFENSTER RECHTS uenssencennenneeeeensnen 88 NG 56 SINGLE PHOTON IMAGE DIALOGFENSTER ereeeseesnssesssneesnnnennnneennnsensnnsnnnnnnnnensennen
38. Photonen dargestellt die intern die maximale In tensit t zugewiesen bekommen haben Man erwartet auf dem Schirm das bekannte Interferenzmuster Das Muster erscheint aber aufgrund der geringen Photonenanzahl nicht mehr als kontinuierliche Struktur Lediglich das Auftreffen einzelner Photonen ist im Livebild zu erkennen Der Teilchencharakter des Lichts wird in jedem einzelnen Treffer der Photonen deutlich Die Trefferspots der einzelnen Pho tonen erstrecken sich ber wenige Pixel Die Wechselwirkung zwischen den auftreffenden Photonen und der Photokatode des Bildverst rkers erfolgt streng lokalisiert Ein typisches Verhalten von Teilchen Eine Welle ist dagegen ber einen gr eren Bereich ausgedehnt Sie w rde ihre Energie auf viele Pixel verteilen Das Interferenzmuster w re vorhanden Abbildung 34 Bildreihe Einzelne Photonen detektiert hinter dem Doppelspalt In dieser Einstellung im SPI Modus ist es folglich m glich den Teilchencharakter des Lichts experimentell nachzuweisen Die einzelnen Photonen erscheinen ohne erkennbare Ordnung bez glich ihrer Position und ihrer Anzahl auf dem Schirm Abb 34 Nach der quantenphysi kalischen Theorie verteilt sich die Anzahl der pro Aufnahme auftreffenden Photonen nach der Poisson Verteilung yk P X k e 10 k Die Wahrscheinlichkeit P X k dass k Photonen bei einer Aufnahme detektiert werden ist abh ngig vom Erwartungswert X der Verteilung Der Erwartungswert ist
39. RENZ BANDPASSFILTERS ueeesssseesssneesennensnneeenenen 31 ABBILDUNG 9 VERSUCHSAUFBAU H RBARMACHEN VON PHOTONEN ueeeessssesssnsensnnensnnseonnnnsennnnennnnensnnnennnnnn 33 ABBILDUNG 10 SCHEMAZEICHNUNG DES VERSUCHSAUFBAUS nuenussnessssnenssnnensnnnnnnnensnnnnnnnnneennsnnnsnnnennnsan ernennen 33 ABBILDUNG 11 DAS PHOTOMULTIPLIERMODUL H 5784 LINKS UND DIE DARIN EINGEBAUTE PHOTOMULTIPLIERR HRE R7400 U RECHTS ueeeeesessneeesensensnnnennnnennnsnnnnnnennnnnnennsenennnennnsnennnsensnnsennssenen nenn 35 ABBILDUNG 12 PHOTOELEKTRISCHE EMPFINDLICHKEIT BIALKALI KATHODE uuunueeesenseessnseesenneennnenensnennnenenn 36 ABBILDUNG 13 SCHNITTZEICHNUMG DURCH EINE PHOTOMULTIPLIERR HRE uueeeesesneessnnsessnneesensennnnnennnn nennen 37 ABBILDUNG 14 TYPISCHE VERST RKERCHARAKTERISTIK eueeeessnsssesseesnenensnnennnnnensnnnennnnnnnnnsnenennensnnne nennen nennen 37 ABBILDUNG 15 TYPISCHE FORM DES AUSGANGSSIGNALS ureeenesunnesennsnesnnnennnnennnnnennnnnennnnnnnnnsnnnnnnensnnnn nennen ennnnnenn 38 ABBILDUNG 16 SCHEMAZEICHNUNG DES DOPPELSPALTVERSUCHS reeeeensnsesssnseesnnnennnnnenennensnnnnnnnnensenn essen 41 ABBILDUNG 17 INTERFERENZMUSTER BEIM DOPPELSPALTVERSUCH eeeeesseessneessnnennsnnnnsnnnnnnnnnnnnnsenennnen nennen 41 ABBILDUNG 18 DAS DOPPELSPALTEXPERIMENTS ueeeeessessnnesensnesnnnnnssnnnnnnnsnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsensnnnnnnsnnennsnennsnsennnenn 42 ABBILDUNG 19 FUNKTIONSPRINZIP DES VARIABLEN DOPPELSPALTS ueeeesseesssneessnnennsnne
40. SCHULEXPERIMENTE ZUM DUALISMUS DES LICHTS Wissenschaftliche Pr fungsarbeit im Fach Physik im Rahmen der ersten Staatspr fung f r das Lehramt an Gymnasien vorgelegt von Christian Vogl Johannes Gutenberg Universit t Mainz Institut f r Physik Gutachter Prof Dr H G Sander Prof Dr L K pke Vorgelegt im September 2003 GUTENBERG Inhalt EINLEITUNG 22 ss ee es a A A pur naher ande En ErHAIEn IE RE HHr IR EErEeen gen Ernen 1 l DIE NATUR DES LICHTS IM NATURWISSENSCHAFTLICH HISTORISCHEN KONTEXT 2 1 Die Anf nge der Geometrischen Optik Die Rolle des Lichts in den Hochkulturen des Altertums und die Entwicklungen im Mittelalter e oosessoseesosoesesoeoessososessosoesessosessesoesesossessesossesossesoesessesossesosoessssssessssoss 2 1 1 Die Flusskulturen Babylon und gypten 2 2 a ER un 2 1 2 Die hellenistische Hochkultur issii sessies eitri 20 2 82 8 5820 02888587 a0 Ro ik 2 1 3 Die Entwicklungen im Mittelalter sesssssnesnesnnennensonsnennensnennesnnennennonsnennonsnennesnennennonsnnnnon nassen 4 2 Theorien ber die Natur des Lichts von Kepler bis Michelson ossosssossonssonssnensnsnnsnnsennsnnssonssnennnene 5 21 Johannes Kepler Vater der modernen Optik uensessesseeseensersnesnnsnnennesnennonnnonsonsnennnennennennonnenson non 5 2 2 Die Teilchentheorie des Lichts nach Isaac Newton 2u 22022002402nersenneennennennennnennensnenennne ne
41. Seine Gedanken zur Natur des Lichts hat Newton in Form von Fragen und Antworten im dritten Buch seiner Op ticks aufgeschrieben So formuliert er in Frage 29 Are not the Rays of Light very small Bodies emitted from shining Substances Ne52 5 370 Experimentell sieht er seine Theorie durch den Schattenwurf des Lichts best tigt W hrend Wasser oder Schallwellen die an Hindernissen gebeugt werden nach der Beugung unregelm ige Strukturen zeigen entsteht beim Schattenwurf des Lichts eine scharfe Grenze For such Bodies will pass through uni form Mediums in right Lines without bending into the Shadow which is the nature of the Rays of Light Newton untersuchte auch verschiedene Interferenzstrukturen unter anderem die nach ihm benannten Newtonschen Ringe Diese entstehen zum Beispiel wenn man eine flache Kon vexlinse auf einen Spiegel legt und mit Licht beleuchtet Zum Teil wird das Licht an der Oberseite reflektiert zum Teil an der Unterseite Das reflektierte Licht berlagert sich Bei der Verwendung von wei em Licht entstehen farbige Ringe bei monochromatischem Licht entstehen helle und dunkle Ringe Diese Beobachtungen konnte Newton nicht mehr mit sei ner urspr nglichen Korpuskulartheorie erkl ren Deshalb erweiterte er seine Teilchentheorie und erkl rte das entstehende Muster als Resultat einer periodischen Teilchenbewegung Die Periodizit t f hrt er auf anziehende und absto ende Kr fte in den von Licht durchdrunge
42. Strahl blicken A Die Ausgangsleistung der Lasermodule kann mit den 10 kQ Potentiometern zwischen 0 und 1 mW reguliert werden Die Potentiometer sind auf den Frontplatten angebracht 88 unter anderem DIN EN 60825 1 UVV Laserstrahlung BGV B2 VBG 93 FY097 S 247f 78 1 2 Tisch 1 1 2 1 Variationen des klassisches Doppelspaltexperiments Abbildung 46 Doppelspaltversuch mit verstellbarem Doppelspalt Das Potentiometer Laser 1 steuert die Leistung des Lasermoduls f r den Doppelspaltver such Der Nullanschlag der Potentiometer befindet sich rechts unten Der Drehsinn von null zum Maximum ist gegen den Uhrzeigersinn Abb 49 Bei diesem Versuchsaufbau Abb 46 sind zwei identische Doppelspalte Spaltbreite 0 2 mm Spaltabstand 0 25 mm im Abstand von 2 mm eingebaut Der vom Laser aus gesehen hintere Doppelspalt ist fest eingebaut Der vordere Doppelspalt kann mittels einer Mikrometer schraube horizontal senkrecht zur optischen Achse verstellt werden Dadurch k nnen ver schiedene Spaltbreiten zwischen 0 mm und 0 2 mm eingestellt werden Der Spaltabstand ndert sich analog zur eingestellten Spaltbreite Bei der Mikrometerschraubeneinstellung 12 0 sind die beiden Doppelspalte deckungsgleich Auch die Einstellung eines Einzelspaltes ist m glich 13 4 gt Bildquelle eigenes Foto 79 Das jeweilige Interferenz muster ist auf dem roten Schirm am Ende des Strahlengangs sicht bar Zur Demonstration
43. Verf gung und neue Ladungen k n nen durch die nachfolgenden Photonen erzeugt werden Die Ladungen im Schieberegister werden vertikal Zeile f r Zeile in das Ausleseregister verschoben Abb 29 Mitte Das Ausle seregister wird seriell abgearbeitet Abb 29 rechts Die Ladungen werden als Signal kapazi tiv ausgekoppelt und an einen Analog Digital Wandler weitergeleitet Die analogen Pixel Inhalte werden so nacheinander gemessen und digital abgespeichert Ki01 In Abh ngigkeit von der Ladungsmenge wird damit jedem Pixel ein Zahlenwert zugeordnet EENE Kil uwd n Bo g DIEBE Scaietzricrurg Schieberichtung Abbildung 31 Die Phasen des Interline Transfers Wenn die einzelnen CCD Sensoren so berlastet werden dass einfallende Photonen die Spannung nicht weiter erh hen k nnen weil das maximale Potential full well capacity er reicht ist flie en die bersch ssigen Ladungen an benachbarte Pixel ab und verschmieren das Bild Dieser Vorgang wird als Blooming bezeichnet Da beim vorgestellten Versuch die Intensit ten sehr gering und die Belichtungszeiten sehr kurz sind treten keine erkennbaren Blooming Probleme auf lichtunempfindlicher lichtempfindliche on chi Ste Sensorfl che Lens on chip g TER Technik ohne lens on chip mit lens on chip MUMU EA Abbildung 32 Lens on Chip Technik Erl uterung Die gr nen Kreise stellen Ladungspakete dar Bildquelle www ccd sensor de 6 Bildquell
44. arit tsprinzip Niels Bohr 1885 1962 25 erkl rte den Welle Teilchen Dualismus mit Hilfe des so genannten Komplementarit tsprinzips Zwei verschiedene auf ein und dasselbe Objekt bezogene Begriffe werden als komplement r bezeichnet wenn sie zwar nicht zu einem einheitlichen Bild des Objektes zusammenge fasst werden k nnen aber doch jeder f r sich wesentliche Seiten der Gesamtheit aller Erfah rungen ber das Objekt ausdr ckt Bo58 S 26 Das Licht kann nicht gleichzeitig ein klassi sches Teilchen und eine klassische Welle sein Dennoch gilt weder der Begriff des Teilchens noch der der Welle darf aufgegeben werden da beide wirkliche Erfahrungen beschreiben EPR A Einstein B Podolsky und N Rosen die in einer gemeinsamen Arbeit jenes Gedankenexperiment zur Nicht Lokalit t ver ffentlichten das die Grundlage der Debatte darstellt Bildquelle des Portraits www nobel se physics laureates 1922 The Nobel Foundation 22 Auch ihr Gegensatz aber kann nicht aufgehoben werden Sie erg nzen einander indem sie einander widersprechen sie sind komplement re Bilder des Geschehens 26 Auf einem Physikkongress in Como Italien bezeichnete Bohr den Begriff der Komplementa rit t als geeignet die besonderen Aspekte des Beobachtungsproblems innerhalb dieses Ent scheidungsgebietes klarzulegen Die beiden komplement ren Eigenschaften der Quanten objekte existieren stets nebeneinander in der Beobachtun
45. ausgesandten Photonen passiert den Doppelspalt Anschlie end wird der Laserstrahl durch verschiedene Graufilter abgeschw cht Aufgrund der Quantenausbeute des Bildver st rkers die kleiner als 100 ist werden nicht alle Photonen die den Bildverst rker errei chen detektiert Mit Hilfe des Makros Single Photon Imaging kurz SPI bietet WinSIS die M glichkeit diese einzelnen Photonen zu detektieren Mit Hilfe einer oberen und unteren Grenze Lower Limit Upper Limit kann st render Untergrund und das thermische Rauschen des Bildverst rkers herausgefiltert werden Beides wird zwar weiterhin durch die Kamera detektiert allerdings erm glicht die Bilddarstellung eine einwandfreie Unterscheidung zwi schen relevanten und nicht relevanten Ereignissen Bei Darstellung des Livebildes in der Sli ce Einstellung werden die nicht relevanten Ereignisse mit sehr niedrigen Intensit ten dargestellt Den relevanten Ereignissen wird f r die Darstellung die maximale Intensit t zu 7l vgl Kapitel 1 3 8 und 1 3 9 Bildquelle eigenes Foto 59 gewiesen Daher erscheinen diese Photonen stets in der Grenzfarbe des gew hlten Darstel lungsspektrums Durch diesen Trick in der Bilddarstellung heben sich die relevanten Photo nen deutlich vom Untergrund ab Zus tzlich ist es in der Slice Darstellung m glich durch geeignete Wahl des Profilschnitts den Untergrund auszublenden Bei h heren Slice Einstel lungen werden so lediglich die relevanten
46. aut Abb 11 rechts Die Abmessungen der eigentlichen R hre betragen 10 3 x 15 5 mm Die metallummantelte R hre ist evakuiert und mit einer Isolationsh lle versehen Da die Me tallh lle mit der Kathode verbunden ist liegt negative Hochspannung an dem Metallmantel an Die Isolationsh lle sch tzt die anderen Bauteile des Moduls vor elektrischen berschl gen An der Vorderseite des Moduls sind die Metall und die Isolationsh lle ge ffnet Dort befindet sich ein Einlassfenster aus Borosilikat Glas Die einfallenden Photonen passieren das Light incoming window welches einen Durchmesser von 10 mm hat Unmittelbar hin ter dem Einlassfenster befindet sich die Bialkali Photokatode Sie hat eine effektive Fl che von 8 mm Durchmesser Die Wellenl nge mit der gr ten Empfindlichkeit liegt f r diese Bi alkali Photokathode bei 420 nm Der genaue Verlauf der photoelektrischen Empfindlichkeit ist in Abbildung 12 mit einer logarithmischen Skala gegen die Wellenl nge des detektierten Lichts aufgetragen Der Graph R7400U zeigt den Verlauf f r die verwendete R hre 2 Bildquelle www hamamatsu com 35 TPMHENATIEA _ D PHOTOCATHODE RADIANT SENSITIVITY mA W 0 1 100 200 30 400 500 600 700 800 WAVELENGTH nm Abbildung 12 Photoelektrische Empfindlichkeit Bialkali Kathode i Die spektrale Empfindlichkeit f r die verwendete Laserwellenl nge befindet sich zwischen 0 1 und 0 5 mA W Die entspricht einer Q
47. besondere l sst sich an den verschie denen Varianten des Doppelspaltexperiments die Quantennatur des Lichts erarbeiten Es zeigt sich das Wellige K rnige und Stochastische der Quantenphysik Le00a 5 6 Variabler LINSE s DOPPELSPALT SCHIRM Abbildung 16 Schemazeichnung des Doppelspaltversuchs Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsaufbau Abb 16 entwickelt der mehrere M g lichkeiten zur Variation des Doppelspaltexperiments bietet Der Versuchsaufbau basiert auf der Grundidee des Youngschen Doppelspaltexperiments Das historische Experiment des Engl nders verhalf der Wellentheorie zum Durchbruch Der Wellencharakter des Lichts wird im Interferenzmuster auf dem Schirm deutlich Abb 17 Abbildung 17 Interferenzmuster beim Doppelspaltversuch 4 Richard Feynman entnommen aus Le00a S 5 vgl Kapitel 1 2 4 Bildquelle eigenes Foto 41 Abbildung 18 Das Doppelspaltexperiments Lichtquelle ist bei diesem Versuch wiederum das Lasermodul5 in Abb 18 rechts An der Position des Doppelspalts befindet sich ein f r diesen Versuch entwickeltes Bauteil das die Variationsm glichkeiten in der Versuchsdurchf hrung erm glicht Das Bauteil besteht aus zwei Metallplatten die beide mit identischen Doppelspalten versehen wurden Die Spalte haben einen Abstand von 0 25 mm und jeweils eine Breite von 0 2 mm Die Metallplatten mit den Doppelspalten befinden sich im Abstand von 2 mm im Strahlengan
48. chweisen dass die St bchen in der menschlichen Netzhaut auf einzelne Photonen reagieren Die Verschaltung der Nerven zwischen Netzhaut und Ge hirn erfordert es aber dass innerhalb von 100 ms etwa 9 Photonen in einem gewissen Netz hautbereich registriert werden Mi03 Kap 3 2 Aus diesem Grund muss man im Experiment auf technische Hilfsmittel zur ckgreifen um einzelne Photonen nachzuweisen 32 2 Das H rbarmachen von Photonen Nachweis des Teilchencharakters Abbildung 9 Versuchsaufbau H rbarmachen von Photonen Der vorgestellte Versuch Abb 9 erm glicht es den Teilchencharakter des Lichts durch Au dio Signale zu demonstrieren Das Licht einer Laserdiode trifft abgeschw cht durch mehre re Filter auf einen Photomultipliere PM F r jeden Photonentreffer erzeugen der Photomultiplier und die angeschlossene Elektronik ein Audio Signal Der Laserstrahl kann zus tzlich mechanisch durch einen Shutter unterbrochen werden was das Ausbleiben der Audio Signale zur Folge hat Der gesamte Weg des Lichts vom Laser zum Photomultiplier ist in Abbildung 10 schematisch dargestellt SHUTTER GRAUFILTER STREULICHTABSCHIRMUNG Abbildung 10 Schemazeichnung des Versuchsaufbaus 38 Bildquelle eigenes Foto 33 2 1 Abschw chung des Laserstrahls Um den Teilchencharakter des Lichts durch Audio Signale nachweisen zu k nnen mu die Intensit t des Laserstrahls reduziert werden Dazu wird der Laserstrahl durch me
49. den Gangunterschied g gilt g d sin 1 wobei d der Abstand zwischen Spalt A und Spalt B ist Abb 1 Mit der Bedingung f r ein Interferenzmaximum ergibt sich g d sng z A 2 mit z 0 1 2 und X gleich der Wellenl nge des verwendeten Lichts AdB d sing A g Q xi p Abbildung 1 Gangunterschied beim Doppelspaltversuch Mit Formel 2 k nnen die Lagen der Interferenzmaxima berechnet werden Die einzelnen Maxima werden je nach z Wert als nulltes erstes zweites usw Maximum bezeichnet Bei der konstruktiven Interferenz ist die Amplitude der resultierenden Welle gleich der Summe der beiden Amplituden der urspr nglichen Wellen Im zweiten Fall der destruktiven Interferenz f llt ein Wellenberg auf ein Wellental Die Amp litude der resultierenden Welle ist gleich der Differenz der beiden Amplituden der urspr ng lichen Wellen Daher l schen sich die beiden Wellen teilweise aus Die vollst ndige Ausl schung tritt ein wenn die Amplituden der beiden ankommenden Wellen gleich sind Wenn der Gangunterschied ein halbzahliges Vielfaches der Wellenl nge betr gt ist diese Bedingung f r Interferenzminima erf llt g d sing z 3 3 Bildquelle Ge95 S 515 12 Durch das Nebeneinander von konstruktiver und destruktiver Interferenz ergibt sich auf dem Schirm das charakteristische Hell Dunkelbild der Interferenzmaxima und Minima das so genannte Interferenzmuster in Abb 2 rechts dargestellt Copp
50. denkbar Zus tzlich werden die Versuche in der ffentlichkeitsarbeit der Universit t und des Instituts eingesetzt Pr sentiert wurden die Versuche unter anderem im Rahmen von Laborf hrungen beim Tag der offenen T r bei der Posterausstellung w hrend des Institutstreffs des Insti tuts f r Physik sowie bei der Betreuten Informationsveranstaltung f r Sch lerinnen und Sch ler BISS Ferner ist eine Pr sentation am Stand des Fachbereichs Physik beim Wissen schaftsmarkts der Universit t Mainz 2003 in der Mainzer Innenstadt vorgesehen Au erhalb der Universit t wurden die Experimente beim 289 WE Heraeus Seminar Natur ph nomene f r den Physikunterricht aus fachdidaktischer und fachwissenschaftlicher Sicht im Rahmen einer Posterausstellung pr sentiert 85 ViMPS wurde an der Universit t Mainz im Rahmen einer Staatsexamensarbeit entwickelt und ist im Internet frei erh ltlich Weitere Informationen sowie das Programm selbst erhalten sie unter www physik uni mainz de lehramt Vimps www physik uni mainz de lehramt 74 IV Zusammenfassung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden drei Demonstrationsexperimente zum Dualismus des Lichts aufgebaut Die Versuche zeigen verschiedene Facetten der Natur des Lichts auf Je nach experimenteller Anordnung zeigt das eingesetzte Laserlicht Wellen oder Teilchencha rakter Ein Photomultiplier eine Steuerelektronik und zwei Lautsprecher erm glichen das
51. der experimentellen Befunde wird das quantenmechanische Verhalten der Photonen am Doppelspalt erl utert Die klassischen Erkl rungsversuche sind zum Scheitern verurteilt und neue quantenphysikalische Modelle werden n tig Eingebettet in den Pflicht baustein Mikroobjekte 1 wird die Problematik der Begriffsbildung auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse am Doppelspaltexperiment behandelt Le99 S 27 Die experi mentelle Ausstattung erlaubt an den meisten Schulen die Durchf hrung des Doppelspaltver suches mit niedriger Lichtintensit t nicht H ufig bleibt nur der Einsatz von 71 Simulationsprogrammen um das Experiment mit den Sch lerinnen und Sch lern zu erarbei ten Im vorgestellten Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen siehe Kapitel II 4 kann das Verhalten der Lichtquanten am aufgebauten Realexperiment untersucht werden Neben dem bereits bekannten Wellencharakter zeigt sich der Teilchencharakter des Lichts Zus tz lich kann die stochastische Deutung der quantenmechanischen Vorg nge thematisiert wer den Den Sch lerinnen und Sch lern wird die quantenphysikalische Denkweise als Fundament naturwissenschaftlicher Bildung aufgezeigt Der Dualismusgedanke kann thema tisiert werden Le99 5 41 Im Pfilchtbaustein Mikroobjekte 3 wird nach Empfehlung des Lehrplans anhand des Fotoef fekts und des Comptoneffekts der Teilchencharakter des Lichts eingef hrt Hier bietet der Versuch H rbarmachen von Photone
52. dquelle Ge95 S 517 14 larisierter Lichtstrahlen berlagert so treten keine Interferenzeffekte auf Experimentell kann dies durch zwei Polarisationsfilter realisiert werden die je einen Spalt eines Doppelspaltes abdecken Die Polarisationsrichtungen der Filter stehen senkrecht zueinander Es kann kein Interferenzmuster hinter einem derart pr parierten Doppelspalt beobachtet werden siehe auch Kapitel II 3 1 2 6 Licht als elektromagnetische Welle die Theorie Maxwells Der Wellencharakter des Lichts war nun durch Young und Fresnel experimentell untermauert Man sprach zu dieser Zeit von Lichtwellen Im Jahre 1845 u erte der Experimentalphysiker Michael Faraday 1791 1867 die Vermutung dass die Lichtwellen dieselben Eigenschaften wie elektromagnetische Wellen haben Er konnte jedoch weder einen experimentellen noch einen theoretischen Nachweis erbringen V llig unabh ngig von optischen berlegungen entwarf der Engl nder James Clerk Maxwell 1831 1879 15 seine Theorie des Elektromagnetismus Haupt resultat seiner 1864 vorgestellten berlegungen sind die so genannten Maxwell Gleichungen welche das elektromagnetische Feld beschreiben Mit Hilfe dieser Gleichungen l sst sich die Vermutung Faradays theoretisch herleiten Die erste und zweite Maxwell Gleichung aufgeschrieben f r das Vakuum haben eine ebene Welle zur L sung die alle Eigenschaften aufweist die wir vom Licht erwarten Si90 S 352 Nach der
53. e der zufolge das Universum aus zwei verschiedenen und miteinander unvereinbaren Elementen Zust nden oder Prinzi pien besteht Der Fall liegt im bertragenen Sinn auch bei Quantenobjekten wie zum Bei spiel einem Photon vor es ist Welle es ist Teilchen Beide Theorien werden nebeneinander benutzt und sind doch in der klassischen Physik unvereinbar Erst die Quantentheorie er laubt eine widerspruchfreie Koexistenz beider Theorien Allerdings gibt es nicht die eine von allen Physikern als richtig anerkannte Interpretation der Quantentheorie In den drei iger Jahren des 20 Jahrhunderts spaltete sich die Welt der Phy siker in zwei gro e Lager Auf der einen Seite die so genannten Realisten um Albert Ein stein die die Quantentheorie als unvollst ndig bezeichneten In der Theorie fehlen verborgene Parameter die durch Messungen nicht zu identifizieren sind In jedes Element der physikalischen Realit t hat eine Entsprechung in der quantenphysikalischen Theorie Die Realit t wird nach Auffassung der Realisten daher durch die bekannte Quantentheorie nicht vollst ndig beschrieben Es gibt f r sie eine vom Beobachter unabh ngige Realit t Auf der anderen Seite steht die so genannte Kopenhagener Deutung die urspr nglich von Max Born entwickelt wurde und dann am Institut f r Theoretische Physik an der Universit t Kopenhagen unter Niels Bohr weiterentwickelt wurde Die Kopenhagener sehen in der Quan 21 tentheorie eine kon
54. e www ccd sensor de 54 Wegen des Streifenmusters aus Sensorfl che und Schieberegister ist nur ein Teil der Oberfl che des CCD Chips lichtempfindlich Abb 32 oben Ein Gro teil des auf den Chip auftref fenden Lichts bleibt ungenutzt Abb 32 unten links Um auch diesen Teil des einfallenden Lichts detektieren zu k nnen wird die Lens on chip Technik angewandt Auf dem Chip werden sehr kleine Linsen aufgebracht die das Licht das ohne Linsen die Ausleseregister treffen w rde auf die lichtempfindlichen Bereiche ablenkt Abb 32 unten rechts Dadurch wird die Lichtausbeute gesteigert 4 4 Kamer steuerung und Bilddarstellung Die CCD Kamera wird mittels des Computer Programms WinSIS6 kurz f r Scientific Ima ging System for Windows gesteuert Neben der Steuerung der Kamera werden alle zur Bilddarstellung notwendigen Applikationen in WinSIS zur Verf gung gestellt Das Datensignal der CCD Kamera wird mittels einer Fire Wire Verbindung an den Rechner bermittelt Mit einer Bandbreite von 800 Mbit s garantiert die Fire Wire Technologie einen schnellen Daten transfer auch bei gr eren Datenmengen und l ngeren bertragungswegen Die Datenbe reitstellung erfolgt gleichm ig und in Echtzeit Die Daten werden in einen Zwischen speicher den so genannten Framegrabber geschrieben Der Framegrabber muss an den je weiligen Kameratyp angepasst sein Mit Hilfe eines Image Servers ISERFIRE 6 werden d
55. egeben Das Live bild und die akkumulierten Aufnahmen sind sofort auf dem Bildschirm zu sehen die Filmse quenz kann dagegen erst nach Aufnahme der kompletten Sequenz abgespielt werden 92 2 Kurzbedienungsanleitungen Kurzanleitung Tisch 1 sure Allgemeines MA Institut f r Physik Herstellung der Spannungsversorgung 230 V Wechselstrom via Kaltger testecker Einschalten der Apparatur am Hauptschalter ACHTUNG Die Laser sind bei eingeschaltetem Hauptschalter in Betrieb NICHT in den Strahl blicken Laserklasse 2 Einstellen der gew nschten Laserleistung mit Hilfe der Potentiometer Laser 1 Doppelspaltversuch Laser 2 Photomultiplierversuch Versuch 1 Doppelspalt Einstellung der gew nschten Spaltbreite und des gew nschten Spaltabstandes mittels Mirkometerschraube Ein bzw Ausbau der Linse m glich Versuch 2 Photomultiplier Justage des Laserstrahls auf das Eingangsfenster der Photomultiplier Box Anschluss eines Voltmeters an der gelben und der schwarzen Bananenbuchse Ver bindung zu V control des Photomultipliers Einstellung der Photomultiplier Kontrollspannung V control mittels des Potentio meters PM Steuerung 93 Kurzanleitung Tisch 2 GU G T Allgemeines MA Institut f r Physik berpr fung des korrekten Sitzes der Filter vor der CCD Kamera Bei Betrieb ohne Schutzfilter kann der Bildverst rker besch digt werden Herstellung der Spannungsversorgung
56. eine schmale Zone die sowohl Elektronen als auch L cher enth lt Der Bildquelle Sa02 28 Bereich mit einer Besetzungsinversion ist entstanden Die elektromagnetische Strahlung wird beim Durchlaufen dieser aktiven Zone verst rkt Das Laserlicht wird am oberen Ende des Laserchips emittiert und gelangt durch das Ausgangsfenster nach au en Der Laserchip emittiert allerdings auch Licht am unteren Ende Dieser Lichtstrom ist proportional zur Aus gangsleistung des Lasers Dieses Licht trifft auf die PIN Photodiode Der erzeugte Photo strom dient der Kontrolle der Ausgangsleistung Dadurch wird eine konstante Ausgangsleistung gew hrleistet Der verwendete Laser hat eine maximale Ausgangsleistung von P 1 mW und geh rt damit zur Laserklasse 2 Die Wellenl nge A des emittierten Lichts betr gt 635 nm Die Frequenz v l sst sich mit Formel 8 errechnen c v 8 7 8 mit X 635nm und c 2 998 10 S gt v 4 7124 10 Hz Die Energie eines Photons betr gt nach Formel 5 damit E h v 3 130 10 J mit h 6 626 10 Js F r die Anzahl N der emittierten Photonen gilt folgende Gleichung P t N 9 E Mit P 1mW und t 100 ms ergibt sich f r die Anzahl N _ P t _1mW 100ms E 3 130 10 J 3 194 10 Das hei t bei voller Laserleistung werden in 100 Millisekunden etwa 3 2 10 Photonen vom eingebauten Lasermodul emittiert Mit Hilfe des integrierten Treiberbausteins der ber ein 10 KQ Potentiometer
57. elspalt Schirm Interferenzmuster j r 1 b i i s u E Fur P h id afa i E E b 1s E 5 i a z jit une m jt E e E To i A u LE i PA IE T B FP E e P Ei j H F i 2 Abbildung 2 Das Interferenzmuster beim Doppelspalt Thomas Young hatte in seiner Heimat England gegen gro e Widerst nde zu k mpfen da die Theorie Newtons hohes Ansehen genoss Man sprach von einem Frevel gegen die wahre Newtonsche Lehre 2 5 Der Nachweis transversaler Wellen die Polarisation des Lichts Der franz sische Naturwissenschaftler Augustin Jean Fresnel 1788 1827 13 verhalf der Wellentheorie des Lichts endg ltig zum Durchbruch Seine Expe rimente zur Interferenz des Lichts best tigten die theoretischen Vorhersagen Huygens Als Quelle f r koh rentes Licht nutzte Fresnel die beiden Spiegel bilder L und L2 einer monochromatischen Lichtquelle L Abb 3 Experimentell wurde dies durch zwei Spiegel realisiert welche nur um einen kleinen Winkel amp geneigt sind Bei diesem Doppelspiegelversuch l sst sich ebenfalls das charakteristische Interferenzmuster bestehend aus hellen und dunklen Streifen auf dem Schirm beobachten Bildquelle Steierischer Bildungsserver www physicsnet at Bildquelle des Portraits http scienceworld wolfram com biography Fresnel html 13 Abbildung 3 Der Fresnelsche Doppelspiegelversuch Die Natur des Lichts beschrieb Fresnel wie folgt Das L
58. em Filter glas wurden w hrend der Schmelze Substanzen beigemischt die den Transmissionsgrad des Glases ver ndern Die nicht durchgelassenen Lichtanteile werden gr tenteils im Filterglas absorbiert ein geringer Anteil wird an den Grenzfl chen des Glases reflektiert Man spricht in diesem Fall von Massefiltern Die verwendeten Graufilter haben ber ihre gesamte Fl che einen konstanten Transmis sonsgrad Man spricht daher auch von Filter mit neutraler Dichte engl Neutral Density Der Wert dieser neutralen Dichte wird h ufig anstelle des Transmissionsgrades in Datenbl ttern der Filter als technisches Ma f r die Durchl ssigkeit angegeben Neben den Massefiltern kommt ein Interferenzfilter zum Einsatz Bei Interferenzfiltern wird der nicht durchgelassene Anteil des Lichts reflektiert Im Vakuum werden auf eine Glasplatte d nne transparente Schichten mit hoher und niedriger Brechzahl aufgedampft Das auftref fende Licht wird an den Schichten je nach Wellenl nge unterschiedlich reflektiert und berla gert sich anschlie end Aufgrund konstruktiver und destruktiver Interferenz addieren sich die Amplituden bestimmter Lichtanteile Bei anderen Anteilen findet teilweise oder vollst n dige Kompensation statt Mit Hilfe eines Interferenz Bandpassfilters k nnen bestimmte Wel lenl ngenbereiche selektiert werden Der Bandpassfilter wird spektral charakterisiert durch ein definiertes Durchlassband an das sich zu beiden Seiten Sperrbereiche
59. en Wichtig f r die vorgestellte Versuchs anordnung sind die Typen U16 und U32 Dies sind 16 bzw 32 Bit Integer Dateien Un ter Server wird der Image Server angegeben aus dem die Bilddaten akquiriert werden Hier ist ISERFIRE 1 voreingestellt Auch diese Einstellung wird beibehalten Durch Anklicken des Bildspeichers in der Liste erscheinen im Image Manager ebenfalls die zugeh rigen Dateiinformationen sowie ein Vorschaubild Durch einen Doppelklick in der Bildspeicherliste wird das Fenster f r die Bilddarstellung der Datei ge ffnet Alternativ kann auch der Smart Icon Bild darstellen Abb 53 Nr 9 verwendet werden Bei Verwendung des Smart Icons Neues Bild generieren und darstellen Abb 53 Nr 7 wird sofort das Fenster f r die Bilddarstellung ge ffnet Allerdings wird nicht das Dialogfenster zum Einstellen der Bilddaten angeboten Zur Generierung werden die Bilddaten der zuletzt generierten Bilddatei herangezogen Zur sp teren nderung der Bilddaten muss man den Smart Icon Bild Definition ndern Abb 53 Nr 10 verwenden Hier wird das bekannte Dia logfenster Abb 54 ge ffnet Beim ffnen eines Fensters f r die Bilddarstellung erscheint neben dem Darstellungsfenster die Image Options Box Abb 55a Mit Hilfe der Image Options Box kann die Art der Bilddar stellung ver ndert werden Die Einstellungen betreffen allerdings stets nur die aktuelle Dar stellung die eigentlichen Bilddaten bleiben unv
60. en in der Optik gr n den sich auf Wahrheiten welche aus der Erfahrung abgeleitet sind Hu64 S 9 Als Bei spiel nennt Huygens die geradlinige Ausbreitung des Lichts und das Brechungsgesetz Licht besteht f r ihn aus der Bewegung einer gewissen Materie zwischen dem Betrachter und dem leuchtenden K rper Dies zeigt sich z B bei der Lichterzeugung durch Kerzen deren Flam men ohne Zweifel in rascher Bewegung befindliche K rper enthalten Hu64 S 10 Um die Physik zu begreifen sollte man die Ursache aller nat rlichen Wirkungen auf mechanische Gr nde zur ckf hren Hu64 5 10 Basierend auf dieser Philosophie f hrt Huygens die Wahrnehmung des Lichts durch unser Auge auf den Eindruck einer gewissen Bewegung ei nes Stoffes der auf die Nerven im Grunde unserer Augen wirkt zur ck Hu64 S 11 Allerdings kann dies nicht auf die direkte bertragung einer Materie vom Objekt zum Auge geschehen wie dies z B bei einem Geschoss oder einem Pfeil der Fall w re Die au eror dentliche Geschwindigkeit mit welcher sich Licht nach allen Richtungen ausbreitet Hu64 S 11 spricht ebenso dagegen wie die ungest rte Durchdringung zweier verschiedener Lichtstrahlen Auf der Suche nach einer anderen m glichen Ausbreitungsart zieht Huygens gt Bildquelle des Portraits www stetson edu efriedma periodictable html Hg html Vergleiche zur Ausbreitung des Schalls in Luft Schall breitet sich durch eine Bewegung a
61. en unterschiedlich langen Weg strecken die die Teilwellen bis zum Ort der berlagerung zur ckgelegt haben Man spricht auch von Gangunterschied Da man von endlichen Wellenz gen ausgeht kann der Fall ein treten dass der Wegunterschied zweier Teilwellen gr er als die L nge des Wellenzuges ist Diese beiden Teilwellen verfehlen einander oder k nnen sich daher nicht berlagern Man bezeichnet die L nge der Wellenz ge auch als Koh renzl nge Die Koh renzl nge muss stets gr er als der Gangunterschied sein damit die Bedingungen f r Koh renz1 der Teilwellen erf llt sind Ge95 5 514 Aufgrund der unterschiedlich langen Lichtwege von der Quelle zu den Spalten bestehen zwischen den Wellen Gangunterschiede Sie sind gegeneinander pha senverschoben Im Gebiet hinter den ffnungen berlagern sich die Teilwellen und erzeugen auf einem dort aufgestellten Schirm ein Hell Dunkel Muster welches hnlich dem Muster sich berlagernder Wasserwellen ist Young benennt als Ursache dieses Musters die Interfe renz Je nach Gangunterschied der sich berlagernden Wellen verst rken sich die beiden Wellen oder l schen sich gegenseitig aus Im ersten Fall spricht man von konstruktiver Inter ferenz Zwei Wellenberge fallen aufeinander d h entweder ist der Punkt gleich weit von bei den Spalten entfernt oder die Entfernung unterscheidet sich um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenl nge 1 cohaerentia lat Zusammenhang 11 F r
62. en vorhersagbar Die Anzahl der Photonen an bestimmten Orten des Schirms ist proportional zur Gesamtanzahl der Photonen d h man kann mit hoher Zuverl ssigkeit vorhersagen an welchen Orten viele Photonentreffer zu verzeichnen sein werden und an welchen wenige Die Wahrscheinlichkeitsdichte P x ist gro an Orten mit hoher Trefferquote und klein an Orten mit wenigen Treffern In der Bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation wird das Verhalten der Photonen mathematisch quantitativ charakterisiert Mit Hilfe der Wel lenfunktion kann die Wahrscheinlichkeit ein Photon in einem Volumenelement AV um den Ort x nachzuweisen bestimmt werden Nach ausreichend langer Akkumulationszeit ist das Interferenzmuster eindeutig zu erkennen Abb 40 F r jeden Photonentreffer auf einem Pixel erh ht sich der Intensit tswert dieses Pixels um eins Um die Struktur des Musters optisch besser zu illustrieren k nnen verschie dene Farbskalen eingesetzt werden Diese Kolorierung zeigt die H ufigkeit der Treffer in einem Pixel rot viele Treffer blau wenig Treffer Zus tzlich wird das Muster deutlicher wenn man f r das Akkumulationsbild die Bit Ebenen Darstellung w hlt Bei der Einstellung Slice O werden alle Pixel dargestellt die mindestens einen Treffer erhalten haben Das hei t ihre Intensit t ist gr er als Null Bei Slice 1 werden nur noch die Pixel mit einer Mindestin tensit t von I 2 dargestellt Bei Slice 2 werden alle Pixel mit Intensit t gr
63. enkrecht zur Bewegungsrichtung der Erde verglichen werden Michel son erwartete aufgrund der Relativbewegung des thers unterschiedliche Geschwindigkei ten Die Existenz des thers w re experimentell nachgewiesen Das Ergebnis war f r Michelson aus seiner Sicht zu Beginn ern chternd Er wies nach dass die Lichtgeschwindig keit konstant ist und in keiner Weise vom Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lichts und der Bewegungsrichtung der Erde abh ngt Er hatte also das Gegenteil nachgewie sen Es gibt keinen ther Sozusagen nebenbei zeigte er die Konstanz der Lichtgeschwindig keit deren Wert er 1882 sehr genau ermitteln konnte Gemeinsam mit dem amerikanischen Chemiker Edward Morley 1838 1923 wiederholte er 1887 sein Experiment zum Nachweis der Existenz des thers Als Versuchsaufbau verwendeten sie das von Michelson entwickelte Interferometer Abb 4 Schirm Strahlteiler Spiegel 1 CJ Spiegel 2 Abbildung 4 Schematische Darstellung des Michelon Morley Interferometers 7 Bildquelle des Portraits http physics clarku edu history michelson png 16 Im Interferometer wird der Lichtstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers auf zwei senkrecht stehen de Wege verteilt Die beiden Wege sind unterschiedlich lang und am jeweiligen Ende befin det sich ein Reflexionsspiegel Die reflektierten Strahlen berlagern sich und es entsteht ein Interferenzmuster das am Detektor nachgewiesen wird Zu Beginn misst man den
64. enzmuster Kennzeichen des Wellencharakters ver schwindet Die Markierung des Weges kann allerdings durch einen weiteren im 45 Winkel zu den ande ren Filtern stehenden Polarisationsfilter aufgehoben werden Das Interferenzmuster wird wenn auch undeutlicher als zuvor wieder sichtbar da dem einzelnen Photon kein eindeuti ger Weg durch den Doppelspalt mehr zugewiesen werden kann Es zeigt sich wieder der Wellencharakter des Lichts Abb 23 Abbildung 23 Interferenzmuster beim Doppelspaltversuch gt Bildquelle eigenes Foto 46 4 Einzelne Photonen am Doppelspalt der Versuchsaufbau Nachdem Claus J nsson das Doppelspaltexperiment f r Elektronen aufgebaut hatte stellt sich die Frage ob das klassische Doppelspaltexperiment auch mit einzelnen Photonen reali siert werden kann Hierzu wurde im Rahmen dieser Staatsexamensarbeit ein Versuchsaufbau erstellt der mit Hilfe moderner Technik das gew nschte Ergebnis liefert Abb 24 CCD KAMERA DOPPELSPALT KAMERAOBJ EKTIV mit GRAUFILTERN KAMERAOB EKTI VE BILDVERST RKER Abbildung 24 Schematischer Aufbau des Doppelspaltversuchs mit einzelnen Photonen 4 1 Die Pr parierung des Lichts Laser Doppelspalt Filter Objektiv Die Lichtquelle ist das schon aus den ersten beiden Versuchen bekannte Lasermodul Der Laserstrahl trifft auf einen Doppelspalt mit 0 08 mm Spaltbreite und 0 5 mm Spaltabstand und wird dort gebeugt Der Laserstrahl hat einen Durchmes
65. er CWL passieren so dass lediglich Licht aus dem orange roten Bereich des Spektrums den Photomultiplier erreicht Der Laserstrahl wird wie das Streulicht am Graufilter ebenfalls ab geschw cht passiert aber anschlie end den Bandpassfilter bei einer Transmissonsrate von 80 weitgehend ungest rt da die Wellenl nge des Laserlichts mit 635 nm sehr nahe der CWL mit 632 5 nm ist Der Laserstrahl wird also bis zum Erreichen des Photomultipliers ins gesamt um den Faktor 1 zu 250 000 abgeschw cht Es erreichen im Mittel 1 3 10 Photonen pro 100 ms den Photomultiplier 34 2 2 Nachweis der Photonen das Photosensormodul Abbildung 11 Das Photomultipliermodul H 5784 links und die darin eingebaute Photomultiplierr hre R7400 U rechts Das Photosensormodul besteht aus einer metallummantelten Photomultiplier R hre einer Hochspannungsversorgung und einem rauscharmen Verst rker Das verwendete Hamamat su Modul H 5784 Abb 11 links ist f r Anwendungen im gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums geeignet Die spektrale Empfindlichkeit reicht von 300 nm bis 650 nm Die Gren zen der Empfindlichkeit ergeben sich aufgrund der Materialeigenschaften des Fensters bei kurzen Wellenl ngen und der Photokathode bei langen Wellenl ngen Die Photonen wel che die Streulichtfilter passiert haben treffen auf die Photomultiplier R hre Im Hamamatsu Modul H 5784 ist die Miniatur Photomultiplier R hre R7400U eingeb
66. er ndert Diese k nnen nur im Image Manager ver ndert werden In der Image Options Box finden sich Buttons zum Verkleinern und Vergr ern des Bildaus schnitts Mit dem 1 1 Button kann der Ursprungszustand wieder hergestellt werden Ferner kann ein selbst definierter Bildausschnitt gew hlt werden Abb 55a blau unterlegt Zur Ori entierung werden in der unteren Statuszeile des WinSIS Desktops die x und y Koordinaten der jeweiligen Cursorposition angegeben Zus tzlich zu den Ortskoordinaten wird der aktu elle Intensit tswert f r dieses Pixel angegeben 87 Mit dem Video Kamera Button kann eine Live Aufnahme gestartet werden Abb 55a rot unterlegt Die Kameradaten werden permanent in die ge ffnete Bilddatei geschrieben wobei die Vorg ngerbilder berschrieben werden Das Bild ist live im Darstellungsfenster zu sehen Ferner ffnet sich ein Informationsfenster Abb 55b in dem die Datei in die gerade ge schrieben wird Acqu Image angezeigt wird Falls diese Einstellungen gew hlt wurden werden die Sub und Accu Images ebenfalls genannt Die Anzahl der aufgenommenen Ein zelbilder wird unter Image Count angezeigt Die Dauer der Aufnahme wird unter Elapsed Time angezeigt Datum und Uhrzeit werden auch nach Start der Aufnahme in der Kopfzeile des Fensters angezeigt Mit der ESC Taste kann die Live Aufnahme gestoppt werden Acqu Image NEW Sub Image none Accu Image none Image Count 10 Elapsed Time 00 00
67. er Photo nentreffer pro Pixel an Man kann sich Intensit tsverteilungen zeilen und spaltenweise an zeigen lassen Ferner k nnen die Werte der Intensit tsverteilung als ASCII Export weiterverarbeitet werden Um eine Intensit tsverteilung des gesamten Streifenmusters zu erhalten wurde im Endbild zeilenweise zwischen den beiden roten Linien die Intensit t ver messen Abb 41 Insgesamt wurden 160 Zeilen ausgelesen Abbildung 41 Bereich der Intensit tsmessung Die erhaltenen Werte wurde als ASCII Export in eine Exceltabelle geschrieben so dass eine Matrix der Intensit tsverteilung entstand Die Intensit tswerte der einzelnen Spalten werden aufaddiert Die Spaltennummer x Achse wird gegen diese aufaddierten Intensit tswerte y Achse aufgetragen Es ergibt sich die folgende Intensit tsverteilung Abb 42 Bildquelle Screenshot des Darstellungsfensters der Akkumulationsdatei Bildquelle Screenshot des Darstellungsfensters der Akkumulationsdatei 66 2 4 0 1 2 Ordnung der Maxima Abbildung 42 Intensit tsverteilung Die Werte der y Achse entsprechen der Anzahl der Ereignisse die in der jeweiligen Spalte detektiert wurden Deutlich erkennbar ist das Intensit tsmaximum nullter Ordnung in der Mitte Hier befindet sich folglich der Bereich mit den meisten Photonentreffern Auch die jeweils ersten drei Maxima rechts und links davon sind sehr gut erkennbar Zwischen den Maxima liegen deutliche Minima Bereiche
68. er als 4 ange zeigt Allgemein berechnet sich die Intensit tsgrenze der jeweiligen Slice Nummer n mit Z 2 Dank dieser technischen Darstellungstricks die in keiner Weise die Bilddatei ver ndern ist in Abbildung 40 das in der Mitte des Streifenmusters liegende so genannte Nullte Interferenzmaximum erkennbar Rechts und links dieses Hauptmaximums sind Berei che mit wenigen stellenweise sogar berhaupt keinen Treffern erkennbar An diese Minima Bereiche schlie en sich nach rechts und nach links weitere Interferenzmaxima an jeweils durch Minima voneinander getrennt Die Nummerierung der Maxima erfolgt von der Mitte nach au en hin ansteigend Neben dem Nullten Maximum sind in Abbildung 40 auch die ersten zweiten und dritten Maxima nach rechts und links gut zu erkennen Die vierten Ma xima sind nur fragmentarisch zu erkennen Die abgedruckte Aufnahme Abb 40 entstand nach der Aufakkumulation von insgesamt etwa 500 000 Einzelbildern 65 Abbildung 40 Akkumulation von etwa 500 000 Einzelbildern Das Interferenzmuster besteht deutlich erkennbar aus einzelnen Photontreffern die sich trotz der Zuf lligkeit ihres Ankommens im zeitlichen Mittel in den bekannten Interferenz streifen anordnen Um diese These zu untermauern untersuchen wir die Intensit tsverteilung des entstandenen Bildes und vergleichen diese mit der theoretischen Verteilung gem der Bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation Als Intensit t gibt WinSIS die Anzahl d
69. er einzelne Photonentreffer zeigt den Teilchencharakter des Lichts und dennoch entsteht aus der Vielzahl der einzelnen Tref fer ein f r den Wellencharakter typisches Interferenzmuster Die einzelnen Photonen zeigen dabei auch stochastisches Verhalten Die verschiedenen Charaktere des Lichts werden in einem Versuchsaufbau gleichzeitig sichtbar Die Experimente die auf einer Aufstellungsarbeit zum Jahr der Physik 2000 des Instituts f r angewandete Physik der Universit t Bonn basieren sind f r den Einsatz in der Lehre an Schulen und der Universit t optimiert worden M gliche Einsatzfelder werden am Ende der Arbeit vorgestellt Die Experimente sollen helfen beim Lernenden Interesse f r die Faszina tion Licht zu wecken We00 I Die Natur des Lichts im naturwissenschaftlich historischen Kontext 1 Die Anf nge der Geometrischen Optik Die Rolle des Lichts in den Hochkulturen des Altertums und die Entwicklungen im Mittelalter 1 1 Die Flusskulturen Babylon und gypten In der geometrischen Optik werden die Lichtph nomene mit Hilfe von Lichtstrahlen erkl rt Kern der Untersuchungen sind der Verlauf und das Verhalten dieser Lichtstrahlen Die ltes ten Forschungen auf dem Gebiet der Optik sind aus der babylonischen Hochkultur berlie fert In Dokumenten die auf den Zeitraum um 2000 v Chr datiert werden finden sich Beschreibungen astronomischer Forschungen In diesen Quellen wird von einer geradlinigen Au
70. erenz am Doppelspalt Mit den stochastisch verteilten einzelnen Treffern der Elektronen und dem daraus entste henden Interferenzmuster zeigt sich die Natur der Quanten in ihrer Vielfalt in einem einzel nen Experiment Die Bedeutung des Experiments f r die experimentelle Umsetzung der quantenphysikali schen Theorien zeigt sich auch im Ergebnis einer Umfrage von Physics World der Zeit schrift der englischen physikalischen Gesellschaft J nssons Doppelspalt Experiment wurde von der Mehrheit der Leserinnen und Leser als The most beautiful experiment in physics ausgew hlt Galileis freier Fall erreichte nur Platz 2 Das bereits erw hnte Urexperiment von Thomas Young wurde in dieser Umfrage auf Platz 5 gew hlt 31 Bildquelle Eberhard Karls Universit t T bingen 3 Physics World September 2002 Quelle http physicweb org 26 I Experimente zum Dualismus des Lichts Die unterschiedlichen Facetten der Natur des Lichts k nnen auf vielf ltige Weise experimen tell dargestellt werden Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Experimente entwickelt und aufgebaut die die Charaktere des Lichts experimentell veranschaulichen Die Darstellung des Teilchencharakters wird durch das H rbarmachen von Photonen realisiert Der Wellen charakter zeigt sich bei der Beugung von Laserlicht an verschiedenen Spalten In einem drit ten Experiment dem Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen werden mehrere Charakterz ge des Lichts g
71. erlegen ist Das Objektiv mit 16 mm Brennweite bildet ein scharfes Abbild des entstehenden Interferenzmusters auf das Eingangsfenster des Bildver st rkers ab Das Grundprinzip Abb 25 ist mit dem Aufbau des in Kapital II 2 2 beschriebe nen Photomultipliers verwandt ND Neutrale Dichte Technisches Ma f r die Durchl ssigkeit von Graufiltern siehe auch Kapitel II 1 2 48 Fhotocathode Luminescent Screen Scene Intensified Scene Image l Image Objective Lens Ocular Lens High Wacuum Tube Abbildung 25 Grundprinzip des Bildverst rkers Die spektralen Eigenschaften des Bildverst rkers werden durch die Quantenausbeute der Photokathode bestimmt Die einfallenden Photonen setzen in der Photokathode des Bildver st rkers elektrische Ladungen frei Die Quantenausbeute ist definiert als das Verh ltnis zwi schen den einfallenden Photonen und den gebildeten Ladungen Th03 Der eingebaute Bildverst rker hat eine Bialkali Photokathode Die Quantenausbeute f r verschiedene Katho dentypen ist in Abbildung 26 aufgetragen Quantenausbeute von Photokathoden VR l 3N 3 5 iN Wellenl nge nm Abbildung 26 Quantenausbeute von Photokathoden gt Bildquelle www proxitronic de Bildquelle Th03 49 Die Quantenausbeute der eingebauten Bialkali Photokathode liegt f r die eingesetzte Laser Wellenl nge im Bereich von 1 Das hei t von etwa 1 25 10 Photonen pro 100 ms
72. es Resultat der Beugung an den Einzelspalten und das Interferenz am Doppelspalt Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse Abb 42 mit der theoretischen Intensit tsver teilung f r das Beugungsbild eines Doppelspaltes Abb 43 best tigt die Annahme dass das entstandene Streifenmuster das Resultat von Interferenzerscheinungen am Doppelspalt ist Um die intensit tsschwachen Maxima 4 Ordnungen graphisch darstellen zu k nnen wurde der Graph der experimentell ermittelten Intensit tsverteilung nochmals mit einer logarithmi schen Achseneinteilungen auf der y Achse gezeichnet Die Maxima hoher Ordnung mit ge ringeren Intensit ten sind dank der logarithmischen Intensit tsskala hier besser erkennbar Abb 44 1 0 1 Ordnung der Maxima Abbildung 44 Intensit tsverteilung mit logarithmischer Skala Der Nachweis der Einzelereignisse l sst sich mit Hilfe des Teilchencharakters erkl ren Die Entstehung des Interferenzmusters ist Indikator f r wellenhafte Ausbreitung Der Dualismus des Lichts zeigt sich im Aufbau des Musters aus einzelnen Punkten Der scheinbare Wider spruch zwischen Welle und Teilchen l st sich mit Hilfe der Bornschen Wahrscheinlichkeitsin terpretation Das wellenhafte Verhalten der Wellenfunktion x und das teilchenhafte Verhalten beim Nachweis der Quantenobjekte verbinden die beiden scheinbar gegens tzli chen Z ge zu einem einheitlichen Bild 69 HI Einsatz der Experimente in Schule und Universit t
73. et sich links unten Der Drehsinn von Null bis zur ma ximalen Leistung ist mit dem Uhrzeigersinn Abb 51 Abbildung 51 Frontplatte Tisch 2 Vor Hochfahren des Computers sind die Maus und die Tastatur an den entsprechenden Buchsen der Frontplatte anzuschlie en An der Sub D Buchse Monitor Beamer kann wahl weise ein Computerbildschirm oder ein Beamer angeschlossen werden Bei Anschluss eines Bildschirms ist eine Gr e von 17 Zoll oder gr er ratsam Bitte den Monitor Beamer nicht an der Mehrfachsteckdose des Versuchs anschlie en da die an der Frontplatte eingebauten Sicherungen nicht f r diese zus tzliche Belastung ausgelegt sind Der Computer hat an seiner R ckseite unterhalb der Kaltger testeckerbuchse einen schwar zen 0 1 Schalter Dieser muss in der Stellung 1 stehen Dies ist im Normalbetrieb der Fall Bei jedem Hochfahren muss aber der Rechner durch Dr cken des rot markierten Druck knopfs an seiner Vorderseite gestartet werden Nach dem Hochfahren des Computers wer Bildquelle eigenes Foto 84 den automatisch die Programme Iserfire und WinSIS gestartet WinSIS ein Scientic Ima ging System der Firma Theta System Gr benzell dient als Steuerprogramm und Visualisie rungsprogramm f r die CCD Kamera 1 3 2 Bedienung WinSIS loji E vAnSISO 1994 2002 THE TA SYSTEM BSektronik GmbH Gr benzell Ae Doinionn Image Wew Antnops Fiter FFT Binary vandow Hap Ben alal Hanga
74. ferenzerscheinungen selten beobachtet Mit Hilfe seines Doppelspaltexperi ments gelang Thomas Young der experimentelle Durchbruch Er konnte die Welleneigen schaften des Lichts einwandfrei nachweisen Er benutzte dazu einen lichtundurchl ssigen Bernhard Cohen im Vorwort zu Ne52 S xii 7 Undulationtheorie Wellentheorie unda lat Welle Bildquelle des Portraits http scienceworld wolfram com biography Young html Thomas Young in Miscellaneous Works Vol 1 entnommen aus Si90 S 355 10 Schirm in dem sich zwei kleine spaltartige ffnungen befanden den so genannten Doppel spalt Jeder dieser Spalte stellt nach dem Huygens schen Prinzip einen Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle dar Damit l sst sich theoretisch begr nden weshalb Licht nach dem Durchgang durch den Doppelspalt in den geometrischen Schattenraum eindringen kann Man spricht auch von Beugung am Doppelspalt Seinen Doppelspalt beleuchtete Thomas Young mit monochromatischem Licht Die sich berlagernden Teilwellen haben daher die gleiche Frequenz Bei unterschiedlichen Frequenzen der Teilwellen k nnen Schwebungen entstehen die ein Auswaschen der Interferenzstruktur verursachen k nnen Da beide Spal te mit Licht derselben Lichtquelle beleuchtet werden ist die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen an jedem Ort im berlagerungsgebiet zeitlich konstant Diese Wellen nennt man r umliche koh rent Die Phasendifferenz ist abh ngig von d
75. g Der vom Laser aus gesehene zweite Doppelspalt ist fest eingebaut der erste Doppelspalt kann dagegen mit Hilfe einer Mikrometerschraube horizontal verschoben werden Dadurch k nnen verschiede ne Spaltbreiten und Spaltabst nde eingestellt werden Abb 19 In der Grundeinstellung der Doppelspalte sind die ffnungen deckungsgleich Das Ensemble kann wie ein einzelner Doppelspalt mit einer Spaltbreite von 0 2 mm und einem Spaltabstand von 0 25 mm behan delt werden Durch die horizontale Verschiebung des vorderen Doppelspalts wird die Spalt breite sukzessive verkleinert und gleichzeitig der Spaltabstand um dasselbe Ma vergr ert Bei einer Verringerung der Spaltbreite um 0 05 mm vergr ert sich der Spaltabstand ent sprechend auf 0 3 mm bei einer Spaltbreite von 0 1 mm betr gt der Spaltabstand 0 35 mm usw Das Beugungsmuster auf dem Schirm ver ndert sich entsprechend Bei der Verschie bung des vorderen Doppelspalts um genau 0 2 mm sind die Spalte vollst ndig durch das hintere Blech verdeckt und das Interferenzmuster verschwindet Bildquelle eigenes Foto siehe Kap II 1 42 Grundeinstellung u Doppelspalt Variierte Spaltbreite Einzelspalteinstellung Abbildung 19 Funktionsprinzip des variablen Doppelspalts Erst ab einer Verschiebung gr er als 0 25 mm ergibt sich wieder eine Anordnung bei der die ffnungen des vorderen und hinteren Doppelspalts aufeinander liegen Nun ist allerdings jeweils nur noch ein Spal
76. g schlie en sie sich allerdings ge genseitig aus In Abh ngigkeit vom jeweiligen experimentellen Kontext kommt einmal der Wellenaspekt und einmal der Teilchenaspekt des Lichts zum Tragen Der Beobachtungspro zess selbst beeinflusst die Eigenschaften der zu beobachtenden Objekte Werner Heisenberg 1901 1976 dr ckte es so aus Der bergang vom M glichen zum Faktischen findet also w hrend des Beobachtungsaktes statt so m ssen wir davon ausgehen dass das Wort geschieht sich nur auf die Beobachtung beziehen kann nicht auf die Situation zwischen zwei Beobachtungen Wir k nnen sagen dass der bergang vom M glichen zum Fakti schen stattfindet sobald die Wechselwirkung des Gegenstandes mit der Messeinrichtung und dadurch mit der brigen Welt ins Spiel gekommen ist He59 5 37 3 7 Die Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation F r Quantenobjekte wie zum Beispiel Photonen kann eine Wahrscheinlichkeitsdichte P x angegeben werden die angibt mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Quantenobjekt bei einer Messung an einem Ort x zu finden ist In der Quantentheorie k nnen ber Einzelereignisse keine deterministischen Voraussagen getroffen werden Lediglich Wahrscheinlichkeitsaussa gen sind m glich Mit der Wahrscheinlichkeitsdichte P x lassen sich Quantenobjekte ma thematisch beschreiben Ziel der Berechnungen ist die Ermittlung der jeweiligen Wahrscheinlichkeitsfunktion f r quantenphysikalische Fragestellungen
77. gen in den Philosophical Transactions der Royal Society von einem neuen fun damentalen Prinzip der Interferenz Nehmen wir an ein Zug gleichartiger Wellen auf der Oberfl che eines stehenden Gew ssers pflanze sich mit konstanter Geschwindigkeit fort und gerate in einen engen Kanal der aus dem Gew sser herausf hrt Nehmen wir weiter an eine hnliche Ursache rege einen weite ren hnlichen Wellenzug an der mit gleicher Geschwindigkeit und gleichzeitig zum selben Kanal gelangt wie der erste Es wird dann keiner der beiden Wellenz ge den anderen ver nichten vielmehr ihre Wirkung vereint zur Geltung kommen treten sie derma en in den Ka nal ein dass die Wellenberge des einen Zuges mit denen des anderen zusammenfallen so ergibt sich ein Wellenzug mit h heren Bergen wenn hingegen die Wellenberge des einen Zuges auf die Wellent ler des anderen zu liegen kommen so f llen sie diese letzteren genau auf Die Oberfl che des Wassers bleibt glatt Nun behaupte ich dass es zu eben solchen Effekten kommt wenn auf dieselbe Art zwei Wellenz ge des Lichts vermischt werden und ich will dies das allgemeine Gesetz der Interferenz des Lichts nennen Grundlegende Bedingung zur Beobachtung von Interferenzph nomenen ist die Koh renz der sich berlagernden Wellenz ge Thomas Young spricht von der berlagerung hnlicher Wel lenz ge Aufgrund der mangelnden Koh renz der im 18 Jahrhundert bekannten Lichtquellen wurden Inter
78. halter Coupling Layer voneinander getrennt Der Filter selektiert das transmittierte Spektrum durch konstruktive und destruktive Interfe renz an den Grenzen der dielektrischen Schichten Zwischen den dielektrischen Schichten befinden sich A 4 Pl ttchen In der Mitte einer Kammer befindet sich ein A 2 breiter Ab standshalter Zus tzliche absorbierende und reflektierende Schichten verhindern die Trans mission unerw nschter Wellenl ngen in einem weiten Bereich von UV bis IR Durch die Kombination der verschiedenen Schichten und die Gr e der Abstandshalter kann die Form des Transmissionsgraphen beeinflusst werden engl Full width at half maximum kurz FWHM 37 entnommen aus http www ealingcatalog com pdf Filters pdf 31 Wird durch Hintereinandersetzen mehrerer Filter ein kombiniertes Filterelement erzeugt so sind die Transmissionsgrade der einzelnen Filter miteinander zu multiplizieren um den Ge samt Transmissionsgrad zu ermitteln Die Daten der eingebauten Filter sind in den Be schreibungen der jeweiligen Versuche zu finden Durch die eingebauten Filter wird die Intensit t des Laserlichts so weit reduziert dass das menschliche Auge nichts mehr wahrnehmen kann Einzelne Photonen k nnen nicht visuali siert werden Der Mangel liegt aber nicht beim menschlichen Auge sondern die Gr nde liegen beim visuellen Nervensystem welches f r die Verarbeitung von optischen Reizen zu st ndig ist Mediziner konnten na
79. he Theorie postuliert eine Spannung in der Luft Von einem seelischen Zentralor gan Hegemonikon genannt gelangt ein so genanntes Sehpneuma aus dem Inneren des Menschen in die Pupille und erregt von dort aus eine Spannung in der Luft welche sich ku gelf rmig ausbreitet Diese Spannung kann nur in verd nnter Luft fortgeleitet werden Die Verd nnung erfolgt z B durch Sonnenstrahlen In der Dunkelheit fehlt diese Verd nnung und der Widerstand der Luft steigt Die Spannung kann dann nur noch auf kurze Distanz fortgepflanzt werden Die epikurische Theorie basiert auf Abbildern Von der Oberfl che der betrachteten K rper l sen sich best ndig Teilchen ab welche als Abbild des Gegenstands die Luft nach allen Sei ten durcheilen Die weitmaschigen Abbilder finden nur geringen Widerstand in der Luft Sie dringen in das Auge ein und erregen den Sehnerv Hier findet sich erstmals ein Ansatz zu einer Teilchentheorie des Lichts Platon um 400 v Chr geht von einem Feuer im menschlichen K rper aus Das Feuer str mt durch die Pupille bei ge ffnetem Auge nach au en Das Licht dieses Feuers trifft auf das Sonnenlicht Bei dieser Begegnung entsteht ein Lichtk rper mit dem Platon die Empfindung des Sehens erkl rt In der Dunkelheit fehlt die Begegnung mit dem Sonnenlicht Daher kann kein Lichtk rper entstehen und die Sehempfindung bleibt aus 1 3 Die Entwicklungen im Mittelalter Auch die arabische Kultur verf gte ber weitreichende ph
80. heta System Datasheet Single Photon Imaging Hrsg Theta SystemElektronik GmbH Gr benzell 2003 Tipler Paul A Physik Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 1994 Weis A Wynands R Three Demonstration Experiments on the Wave and Particle Nature of Light in Physik und Didaktik in Schule und Hochschule Phydid 1 2 2003 S 67 73 Hrsg H Litschke et al Duisburg Essen 2003 www phydid de Young Matt Optik Laser Wellenleiter Springer Verlag Berlin 1997 100 6 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 1 GANGUNTERSCHIED BEIM DOPPELSPALTVERSUCH uueeeeeeeesneeesensensnnnennnnnesnnnennnnnennsnennsensnnen ern nen 12 ABBILDUNG 2 DAS INTERFERENZMUSTER BEIM DOPPELSPALT eeeeeeeseneessenensnnensnnnnennnnennnnnnnnnnnensnnsennnnn nennen 13 ABBILDUNG 3 DER FRESNELSCHE DOPPELSPIEGELVERSUCH eeneeneessnnsessnsensnnseennnnnnnnsnnnnnnnennnenenssensnnennnseennnnnnnn 14 ABBILDUNG 4 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DES MICHELON MORLEY INTERFEROMETERS aueeesesssensseneennnnen 16 ABBILDUNG 5 ELEKTRONENINTERFERENZ AM DOPPELSPALT eeeeeenensnssnensensnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnennnsn een nsennnnn 26 ABBILDUNG 6 SCHNITTZEICHNUNG DURCH EINE LASERDIODE eeeessseesssseesnsnnensnnennnnnensnnnennnnneennnnnennenennen ernennen 27 ABBILDUNG 7 STRUKTUR DES LASERCHIPS uueeeeessseesssnsensnnensnnnennnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnenennnennnnnsennsnnennsnnennsnnnss een nsnonenn 28 ABBILDUNG 8 DER SCHEMATISCHE AUFBAU EINES INTERFE
81. hrere Filter abgeschw cht Auf der optischen Bank sind zwei Graufilter mit einem Transmissionsgrad von 1 sowie 5 eingebaut Es ergibt sich ein Gesamttransmissionsgrad von 0 05 Diese bei den Filter dienen ausschlie lich dazu die Intensit t des Laserstrahls abzuschw chen Es er reichen also insgesamt 1 6 10 Photonen pro 100 ms die Photomultiplier Box Der so durch die Filter abgeschw chte Laserstrahl trifft auf das Eingangsfenster der Photo multiplier Box In dieser Box befinden sich zwei Filter sowie das Photosensormodul Unmit telbar hinter dem Eingangsfenster der Box ist ein weiterer Graufilter Transmissionsgrad 1 eingebaut welcher identisch mit dem auf der optischen Bank verwendeten ist Hinter diesem Graufilter befindet sich ein Interferenz Bandpassfilter dessen CWL laut Datenblatt 632 8 nm und laut mitgeliefertem Pr fprotokoll 633 5 nm betr gt Die Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 23 Die Wellenl ngen Verschiebung bei Temperaturschwankungen betr gt 0 025 nm Dies ist f r unsere Einsatzbedingungen vernachl ssigbar Die FWHM betr gt 11 nm das hei t das verwendete Laserlicht befindet sich mit seiner Wellenl nge von 635 nm innerhalb der FWHM Der Bandpassfilter dient gemeinsam mit dem Graufilter haupts chlich der Streulichtabschir mung Das Umgebungslicht wird zuerst durch den Graufilter um den Faktor 0 01 abge schw cht Der Bandpassfilter l sst nur Lichtanteile mit einer Wellenl nge in der N he d
82. ia HAARR a ass 1 oe sjn ela E E ISER F AR inj x Basar Type Uig Finctio j none mels saa olaja SPI F10 hurs se IK 16402280 0 Abbildung 52 WinSIS Desktop Der Startbildschirm von WinSIS Abb 52 zeigt am oberen Rand die Menu Leiste und eine Reihe mit System Buttons die die wichtigsten Befehle verlinkt haben Abb 52 rot unterlegt Das Programm WinSIS bietet eine F lle von Applikationen Im Folgenden werden nur die f r das vorgestellte Experiment verwendeten Anwendungen erl utert F r alle weiteren Optio nen die das Programm bietet verweise ich auf die WinSIS Online Hilfe die mit der Taste F1 oder dem Button direkt ge ffnet werden kann In der rechten oberen Ecke des WinSIS Desktops wird automatisch der Image Manager ge ffnet Mit dem Image Manager Abb 52 gelb unterlegt amp Abb 53 werden die Bilddateien verwaltet Mit Starten des Programms wird automatisch die Bilddatei ISERFIRE 1 angelegt Gleichzeitig wird das Fenster zur Bilddarstellung der ISERFIRE Datei ge ffnet Abb 52 blau unterlegt In die Datei ISERFIRE 1 werden alle vom Image Server ISERFIRE gelieferten Bild 85 daten geschrieben Aus dieser Datei werden die Bilddaten f r die verschiedenen Anwendun gen in WinSIS akquiriert 12 pj Preview 1 gam 0 45 41 gt ISERFIRE 1 dsbildverst rk a dsschirmbildi x Offs 0 dsschirmbild3 Y Offs 0 ersterfilm 100 width 640
83. ichert WinSIS bietet zus tzlich die M glichkeit Bilder in den bekannten Formaten TIFF BMP und JPEG sowie ASCII zu speichern 57 In den Live Bildern und auch in abgespeicherten Bilddateien kann im Darstellungsfenster eine ROI Region of Interest definiert werden Die ROI ist blicherweise eine Zeile oder Spal te Frei definierte Geraden Polygonz ge oder zweidimensionale Felder sind aber ebenfalls m glich Ferner bietet WinSIS die M glichkeit die Intensit tsverteilungen ausgew hlter Spalten oder Zeilen anzuzeigen Neben dieser zweidimensionalen Darstellungsm glichkeit der Intensi t tsverteilung kann die Intensit tsverteilung des gesamten Bildes dreidimensional dargestellt werden 58 5 Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen Mit dem in Kapitel II 4 beschriebenen Versuchsaufbau Abb 33 ist es m glich den Doppel spaltversuch mit einzelnen Photonen durchzuf hren Das Experiment wurde in Anlehnung an die historischen Versuche von J nsson und Taylor entwickelt um das Verhalten einzelner Photonen am Doppelspalt mit Hilfe der CCD Kamera untersuchen zu k nnen Abbildung 33 Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen Wird der Versuch mit voller Laserleistung und ohne zus tzliche Graufilter durchgef hrt zeigt sich das bereits bekannte Doppelspaltinterferenzmuster Gem der quantenphysikalischen Theorie tritt dieses Muster auch bei geringeren Lichtintensit ten auf Nur ein Teil der vom Laser
84. icht ist nichts anderes als ein be stimmter Schwingungszustand einer universellen Fl ssigkeit Si90 S 350 Er ging also von einem Tr germedium der Lichtwellen aus welches gemeinhin seit Huygens als ther be zeichnet wird Thomas Young hatte anderes als Huygens angenommen dass die therteil chen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen Allerdings konnte Young seine Vermutung experimentell nicht best tigen Augustin Fresnel gelang es Licht dergestalt zu pr parieren dass es nur noch in einer bestimmten Richtung schwingt Man spricht von der Polarisation des Lichts Die Polarisation des Lichts kann theoretisch nur durch eine transver sale Wellenbewegung erkl rt werden Fresnel zeigte dass zwei in verschiedene Richtungen polarisierte Lichtstrahlen keinerlei Interferenzeffekte zeigen Er widerlegte damit die Vermu tung von Christiaan Huygens dass Licht analog zu den Schallwellen eine longitudinale Wel lenbewegung ausf hrt und best tigte die Annahme von Young Bei der Polarisation wird zwischen linear zirkular und elliptisch polarisiertem Licht unter schieden Das nat rliche Licht einer Lichtquelle ist unpolarisiert d h alle Polarisationsrich tungen sind gleichm ig und ungeordnet vertreten Mit Hilfe von Polarisatoren z B Polarisationsfiltern kann das nat rliche Licht polarisiert werden Polarisationsfilter lassen nur eine Schwingungsebene passieren Wird nun das Licht zweier senkrecht zueinander po Bil
85. icrochannel plate MCP Abb 27 Fo Electrical Conductive Layer CHANNEL frami the a inc i Fi Ph aaa N Pa en a to ihe Pa ee Screen e eo Y Secondary Electrons Abbildung 27 Microchannel Plate links und Prinzip der Sekund relektronemission rechts gt Die MCP ist zwischen Photokathode und Lumineszenzschirm in der Vakuumr hre eingebaut Abb 28 In der MCP werden die einfallenden Elektronen so hoch verst rkt dass sie als ge trennte Treffer auf dem Lumineszenzschirm des Bildverst rkers erscheinen gt Bildquelle www proxitronic de 50 Die MCP besteht aus d nnen Glasplatten in die sehr viele Kan le eingearbeitet sind in Abb 27 links Die gesamte Platte erh lt dadurch eine honigwabenartige Struktur Die Kan le haben einen Durchmesser von etwa 10 um und eine L nge von etwa 10 mm Etwa 60 der Elektronen treffen auf ihrem Weg von der Kathode zur Anode einen diese Kan le in Abb 27 rechts Die brigen Elektronen treffen auf eine wand zwischen den Kan len und erreichen den Lumineszenzschirm nicht Jeder dieser Kan le stellt einen Miniatur Elektronen Multiplier dar Am Anfang und am Ende der Kan le befinden sich Elektroden zum Anlegen einer Span nung Die von Photomultiplier her bekannten Dynoden werden durch eine einzige halblei tende Oberfl che an der Innenseite der Kan le ersetzt Diese Schicht hat einen hohen Sekund remissionskoeffizienten Treffen die von der Photokathode kommenden Pri
86. ie im Framegrabber gespeicherten Daten in ein mit WinSIS kompatibles Dateiformat umgewan delt Der Image Server ist die Schnittstelle zwischen Kamerahardware und Steuerungssoft ware Mit ISERFIRE kann eine Vielzahl verschiedener Datenformate gelesen werden Dadurch ist es m glich verschiedene Kameratypen mit WinSIS zu steuern Die Einstellungen des Image Servers sind f r die angeschlossene Kamera optimiert Die Bilddaten werden in die Bilddatei ISERFIRE 1 geschrieben Die in HISERFIRE 1 gespeicherten Daten bilden die Grundlage der Bilddarstellung Die Bilder k nnen direkt als Livebild im zu ISERFIRE 1 geh renden Bilddarstellungsfenster angezeigt werden Ferner werden f r alle weiteren Bilddarstellungs applikationen die ben tigten Bilddaten aus ISERFIRE 1 akquiriert Hersteller Theta System Gr benzell siehe auch Anhang Herstellernachweis Hersteller Theta System Gr benzell siehe auch Anhang Herstellernachweis 55 Die Verwaltung der Bilddateien erfolgt im Image Manager Dieser erm glicht die Generierung neuer Bilddateien die Ver nderung der Eigenschaften bereits bestehender Bilddateien und das L schen von Bilddateien Die Bilddateien k nnen gespeichert werden bzw bereits ge speicherte Bilddateien neu geladen werden In einer Liste an deren Spitze stets ISERFIRE 1 steht werden alle aktuell geladenen Bilddateien aufgelistet F r die jeweils aktivierte Datei werden die wichtigsten Bi
87. ite Das zweite Objektiv ist ein C Mount 1 Objektiv der Brennweite 25mm von Pentax Cosmicar Durch ein einheitliches Auflagema dem Abstand zwischen Chip und Auflagefl che des Objektivs wird gew hrleistet dass der Brennpunkt des Objektivs genau auf der Chip Oberfl che liegt 4 3 Die CCD Kamera m sohe Mi Abbildung 29 CCD Kamerasystem mit Bildverst rker und verschiedenen Objektiven Das Herzst ck des Kamerasystems Abb 29 ist der CCD Chip Dieser Chip fungiert als Bild sensor und hat die Aufgabe ein optisches Bild in ein Ladungsbild umzuwandeln Er stellt die Schnittstelle zwischen dem realen Bild und dem elektrischen Bildsignal dar Der Chip ber nimmt die Rolle des Films bei der klassischen Kamera und bietet den Vorteil dass das von l C Mount ist der Standard Anschluss f r Objektive an CCD Kameras Bildquelle eigenes Foto 52 ihm gelieferte elektrische Bildsignal mit dem Computer verarbeitet werden kann In der vor liegenden Kamera ist ein 2 3 Chip eingebaut Das Ma hat aber keinen Bezug zur realen Chip Gr e sondern stellt den Bezug zu einer vergleichbaren Bildaufnahmer hre her und entspricht dem Durchmesser des lichtempfindlichen Bereichs der R hre Das ladungsgekop pelte Bauelement engl charged coupled device besteht aus einer Vielzahl lichtempfindli cher Bildelemente die matrixartig in Zeilen und Spalten auf einem Siliziumpl ttchen angeordnet sind In den lichtempfindlichen S
88. itteln angefertigt habe und alle Stellen die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind durch Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht habe Mainz den 15 09 03 Christian Vogl 105
89. k nimmt im Lehrplan der Oberstufenphysik einen zentralen Platz ein Am Beispiel des rheinland pf lzischen Lehrplans werden Verwendungsm glichkeiten der vorgestellten Versuche in Schule erl utert Der Lehrplan des Landes Rheinland Pfalz ist nach dem Prinzip eines Baukastens strukturiert Jeder Baustein widmet sich inhaltlich einem Teilthema Es gibt Pflichtbausteine und Wahl pflichtbausteine wobei Pflichtbausteine m ssen behandelt werden Le99 S 14 Im Unter richt soll das Methodenrepertoire der Physik genutzt werden welches ausdr cklich die Verwendung der experimentellen berpr fung vorsieht Le99 S 9 W hrend f r die Mittel stufenphysik die Sammlungen der Schulen Experimente meist in ausreichender Zahl und Vielfalt enthalten ist die Anzahl quantenphysikalischer Experimente beschr nkt Dennoch 70 sollten vorhandene M glichkeiten ausgenutzt werden da reproduzierbare Experimente den Sch lerinnen und Sch lern die M glichkeit bieten die erlernten Aussagen der Physik zu berpr fen Das Experiment nimmt als Bindeglied zwischen Theorie und Realit t einen zent ralen Platz im Physikunterricht ein Es erm glicht Hypothesen und Theorien zu berpr fen und Vorstellungen zu festigen Le99 5 10 Aufgrund der Komplexit t des Themenbereiches Quantenphysik brauchen Sch ler die Visualisierung im realen Experiment zum besseren Ver st ndnis Anders als in den klassischen Gebieten der Physik ist der Lernende zu neuen
90. l ten Slice Stufe n nach der Formel 2 Im SPI Modus ist die Aufnahme einer Filmsequenz m glich Als erster Schritt m ssen im ImageManager zwei neue Dateien generiert werden Die erste Datei hier mit AKKU bezeich net dient der Akkumulation der Einzelbilder Sie muss vom Typ U32 sein Bei den weiteren Einstellungen kann die Grundeinstellung von WinSIS bernommen werden Die zweite Datei im Folgenden mit SEQ bezeichnet dient zum Abspeichern der eigentlichen Sequenz Sie muss ebenfalls vom Typ U32 sein Die gew nschte Anzahl der Einzelbilder die zu einer Filmsequenz zusammengef gt werden wird unter Number angegeben G nstig sind Filme mit 50 bis 200 Einzelbildern Im Hauptmen punkt Image wird die Funktion Copy Cyclic aufgerufen Im Dialogfenster wird die Bilddatei angegeben aus welcher die Einzelbilder ak quiriert werden Image IN Unter Image OUT wird die Bilddatei angegeben in der die Ein zelbilder aus Image IN zu einer Sequenz zusammengesetzt werden Die Cycle Number gibt an nach wie vielen neuen Bildern in der Image IN Datei ihr Inhalt in die Image OUT Datei geschrieben wird Bei der Einstellung Cycle Number 1 wird jedes Einzelbild der Image IN Datei in die Image OUT geschrieben Anschlie end wird das Makro SPI gestartet Dabei wird die Akkumulationsdatei des SPI Makros als Image IN Datei deklariert und aus dieser werden die Bilder gem der CycleNumber Einstellung an die Image OUT weiterg
91. lddaten aufgelistet sowie ein Vorschaubild angeboten Bei den Bilddateien ist zwischen zwei Arten zu unterscheiden Zum einen die normale Bild datei in der nur das jeweils aktuelle Bild angezeigt und gespeichert werden kann Zum an deren Sequenz Dateien die die Aufnahme von kurzen Bildsequenzen erm glichen Mehrere aufeinander folgende Bilder k nnen damit als Film gespeichert und abgespielt wer den Die Bilddateien k nnen in unterschiedlichen Dateitypen gespeichert werden F r die vorgestellte Versuchanordnung sind nur die Typen U16 und U32 69 von Bedeutung wobei Sequenzdateien im U32 Typ gespeichert werden Bilddarstellung Die eigentliche Bilddarstellung aller Dateien erfolgt in eigenen Fenstern Die Darstellung kann in der Gr e variiert werden insbesondere ist die Auswahl selbst definierter Bildaus schnitte m glich Dadurch k nnen die interessierenden Bereiche vergr ert dargestellt wer den In der Grundeinstellung wird das Bild in Graustufen wiedergegeben um die Bereiche unterschiedlicher Intensit t zu unterscheiden Dabei wird jedem Zahlwert den die einzelnen Pixel in Abh ngigkeit vom einfallenden Licht zugewiesen bekamen eine Graustufe zugeord net Mit Hilfe der Graustufenskalierung werden die unterschiedlichen Intensit ten der Bilder dargestellt Neben dieser Graustufendarstellung ist auch eine farbige Darstellung m glich Dazu stehen verschiedene Farbpaletten zur Auswahl Es kann zwischen
92. le und Hochschule entwickelt Sie erm gli chen die experimentelle Erarbeitung wichtiger quantenphysikalischer Aspekte 75 Anhang 1 Bedienungsanleitung 1 1 Allgemeine Hinweise Abbildung 45 Tisch I links und Tisch 2 rechts in der Gesamtansicht Die drei vorgestellten Versuche sind auf zwei Versuchstischen aufgebaut Abb 45 Diese sind auf Rollen gelagert und k nnen durch Feststellbremsen gegen unbeabsichtigtes Ver schieben gesichert werden Alle zum Verst ndnis des Versuchs wichtigen Bauteile sind auf der Oberseite der Tische montiert Alle anderen Bauteile wie zum Beispiel die Spannungsver sorgung sind in den Schr nken unterhalb der Tische untergebracht Der Zugang zum Innen leben der Tische erfolgt ber zwei T ren an der L ngsseite Die Bedienung erfolgt ber Steuerelemente die an der Querseite der Tische auf Frontplatten untergebracht W hrend des Experimentierens ist kein Zugriff auf das Innere der Tische notwendig Der klassische Doppelspaltversuch und Das H rbarmachen der einzelnen Photonen sind gemeinsam auf einem Tisch montiert Dieser wird im Folgenden als Tisch 1 bezeichnet und ist auch entspre chend gekennzeichnet Der Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen wurde auf Tisch 2 allein stehend aufgebaut 7 Bildquelle eigenes Foto 76 Die Spannungsversorgung Die Versuche ben tigen als Stromversorgung 230 V Wechselstrom aus dem Hausstromnetz Die Versorgung wird ber
93. leichzeitig deutlich 1 _Monochromatisches intensit tsschwaches koh rentes Licht In den Experimenten wird das Verhalten von monochromatischem Licht untersucht Die Ko h renz des Lichts ist Grundvoraussetzung f r das Auftreten der Interferenzerscheinungen Die Abschw chung der Intensit t erm glicht das Experimentieren mit einzelnen Photonen 1 1 Die Lichtquelle ein Laserdiodenmodul Im verwendeten Lasermodul LAS 63 01 L3 2 ist eine Laserdiode des Can Type eingebaut Abb 6 Die gesamte Diode befindet auf einem Fu Stem und wird von einem dosenf rmi gen Deckel Cap mit ffnungsfenster Window umgeben Der Anschluss der Laserdiode erfolgt ber die drei Pins unterhalb des Stems Laserbearm ee Cap e 3 Laser chip gt A Ta F Ty i j H Photodiode er Stem Abbildung 6 Schnittzeichnung durch eine Laserdiode 32 weitere Angaben siehe Herstellernachweis im Anhang 3 Bildquelle Sa02 27 Der Laser Chip ist aus verschiedenen Schichten aufgebaut Das aktive Medium ist bei dem verwendeten Laserdiodenmodul eine p n Diode Man bringt einen stark dotierten n Halbleiter in engen Kontakt mit einem p Halbleiter Die entstehende p n Diode ist das Grundelement des Lasermoduls Das Modul wird daher in die Gruppe der Halbleiterlaser ein geordnet Bei Halbleiterlasern wird elektrischer Strom direkt in Laserlicht umgewandelt Element structure Electrode Cap layer Curent blocking layer Cavity
94. lektronik Layout OR 3 8 i eio cr 6 ei 3 Abbildung 58 tzmaske 10 Erstellt mit dem Programm Eagle 4 0 10 Erstellt mit dem Programm Eagle 4 0 feri pri borrukiale Abbildung 59 Schaltplan Elektronik Tisch 1 ang aury rF 3 v f af gl m z er i ii adarna yzy bunbus uns irn use e LE ARSY ine gt hotom_ltilpla u r m r Joc_nent umee te 171 818 5 78C ALH PAES 10 laze 10 Erstellt mit dem Programm Eagle 4 0 98 5 Bo58 BS93 Ge95 Ha98 He59 Hu64 Ki0O1 K192 Le99 Le00a Le00b Literaturverzeichnis Bohr Niels Atomphysik und menschliche Erkenntnis Vieweg Braunschweig 1958 Bergmann Sch fer Lehrbuch der Experimentalphysik Band 3 Optik Hrsg Heinz Niedrig Walter de Gruyter Berlin New York 1993 Gerthsen Christian Physik Hrsg Helmut Vogel Springer Verlag Berlin 1995 Hamamatsu Metal package Photomultiplier Tubes R7400U Series and Subminiature Photosensor Moduls Hamamatsu Photonics K K Shimokanzo japan 1998 Heisenberg Werner Physik und Philosophie Ullstein Frankfurt 1959 Huygens Christian Abhandlung ber das Licht Hrsg Lommel E Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt 1964 Kilian Ulrich Die Digitalkamera in Physikalische Bl tter 57 2001 Nr 7 8 S 118 Hrsg Deutsche Physikalische Gesellschaft Wiley VCH
95. llt Bei der Einstellung Slice 4 werden zum Beispiel die Bitebenen 4 bis 11 dargestellt Die CCD Kamera kann als Videokamera oder als Fotoapparat betrieben werden Wird die Darstellung einer Live Aufnahme ausgew hlt werden die Kameradaten permanent in die ge ffnete Bilddatei geschrieben wobei die jeweiligen Vorg ngerbilder berschrieben wer den Das aktuelle Bild ist live im Darstellungsfenster zu sehen Die Anzahl der aufgenomme nen Einzelbilder wird angezeigt Die CCD Kamera arbeitet in diesem Modus nach dem Prinzip einer Videokamera Alternativ zur Live Aufnahme kann ein Schnappschuss aufge nommen werden Die CCD Kamera arbeitet hierbei wie ein Fotoapparat Es besteht die M glichkeit zuvor abgespeicherte Bilder vom aktuellen Bild abzuziehen oder hinzu zu addieren Dadurch k nnen z B konstante Streulichteffekte in der Darstellung un terdr ckt werden Eine weitere Option bietet das Akkumulieren einzelner Live Bilder Bevor die Bilddaten von dem n chsten Livebild berschrieben werden werden sie in eine Akkumulationsdatei ko piert In der Akkumulationsdatei werden alle Einzelbilder zusammenaddiert Gleichzeitig kann die Abfolge der Einzelbilder als Filmsequenz in einer zuvor generierten Sequenzdatei gespeichert werden Die Filmsequenz kann erst nach Aufnahme der kompletten Sequenz abgespielt werden Sowohl die Live Aufnahmen als auch die Schnappsch sse werden im SIS Format dem Win SIS Standardbildformat abgespe
96. m r elektronen auf ihrem Weg durch die Kan le auf die Wandoberfl che so verursachen sie Se kund relektronenemission Um den Aufprall aller Prim relektronen zu garantieren sind die Kan le diagonal in die Platte eingearbeitet Abb 28 links Dadurch verursachen alle Prim r elektronen die Emission von Sekund relektronen Es entsteht ein Elektronenschauer Abb 27 rechts Dadurch erh ht sich die Zahl der am Lumineszenzschirm auftreffenden Elektronen erheblich Um die Lage des Photonenbildes nicht durch Abweichungen infolge der diagona len Kanalf hrung zu verf lschen verwendet man eine doppelte Microchannel Plate in V Anordung siehe Abb 28 rechts Photocathode Luminescent Screen Fhotocathode Luminescent Screen F w 2 Fi 1 MF 2 MCPs in Sack Assembly Abbildung 28 V Anordung der doppelten MCP Bildquelle www proxitronic de 51 Durch diesen Trick wird die durch eine MCP verursachte r umliche Abweichung korrigiert Das am Lumineszenzschirm entstehende Photonenbild bleibt in seiner Lage unver ndert ist allerdings gegen ber dem Eingangsbild verst rkt Um die Verstauchung des entstehenden Bildes gering zu halten sind die Abst nde zwischen Photokathode MCP und Lumineszenz schirm m glichst klein gew hlt Man spricht von Proximity bzw Nahfokus Bildverst rkern Der Bildverst rker ist ber zwei Objektive direkt an die CCD Kamera gekoppelt Eingesetzt wird ein Pentax Fotoobjektiv mit 50 mm Brennwe
97. m Zufall bestimmt Nach der Theorie der Quantenmechanik k nnen ber Einzelereignisse nur statistische Aussagen getroffen werden Auf die Photonentreffer bezogen kann man also lediglich eine Wahr scheinlichkeit angeben dass der n chste Treffer in einem bestimmten Bereich erfolgt Alle Photonen wurden auf die gleiche Weise pr pariert Sie haben die gleiche Energie und wurden von der Quelle in der gleichen Weise am selben Ort emittiert Trotzdem landen die Photonen nicht an der gleichen Stelle das einzelne Ergebnis ist nicht reproduzierbar Die Physik ist an dieser Stelle nicht mehr deterministisch Zwischen den Photonen die in der Quelle pr pariert wurden und dem Doppelspalt finden Wechselwirkungen statt Aufgrund dieser Wechselwir kungen ver ndert sich der pr parierte Zustand der Photonen Die Verteilung der Photonen treffer wird auch Wahrscheinlichkeitsdichte P x bezeichnet Nach einiger Zeit bilden die Treffer der Photonen H ufungspunkte Eine Struktur kann in diesem Stadium unter Umst nden schon hineininterpretiert werden Abb 37 Abbildung 37 Bildausschnitt der Akkumulationsdatei Mit jedem Einzelbild wird die Struktur der Photonentreffer deutlicher Eine vertikale streifen f rmige Anordnung der Photonentreffer wird erkennbar Es gibt Regionen mit vielen Einzel treffern und Bereiche ohne Photonentreffer Dieses Muster kann auf Basis der Wellentheorie durch konstruktive und destruktive Interferenz erkl rt werden Aus de
98. mieren hergestellt Bei Tisch 1 ist ein 12V GND 12V Netzteil eingebaut Es liefert die Spannungsversorgung der Elektronik Platine die das Photomultiplier Signal in vom Lautsprecher verwertbare Sig nale umwandelt Auf der Platine ist auch die 5V Spannungsversorgung f r die Laser unter gebracht Tisch 2 verf gt ber ein 5V GND Netzteil das die Laserversorgungsspannung direkt liefert Daher sind bei eingeschaltetem Hauptschalter automatisch auch die Laser in Betrieb 77 Die Lasermodule Als Lichtquellen sind Lasermodule eingebaut Bitte beachten sie die einschl gigen DIN Normen88 und Unfallverh tungsvorschriften89 zum Betrieb eines Lasers Konsultieren Sie in Zweifelsf llen vor Inbetriebnahme den zust ndigen Laserschutzbeauftragten Die verwende ten Laserdioden sind in der Laserklasse 2 eingestuft Das von Lasern dieser Klasse emittierte Licht verursacht keine Sch digung des Auges wenn die direkte Bestrahlung nicht l nger als 0 25 Sekunden dauert Diese Zeit ist f r den so genannten Lidschlussreflex n tig welcher das Auge vor weiterer Bestrahlung sch tzt Allerdings sollte aus Sicherheitsgr nden ein di rekter Blick in einen Laser der Klasse 2 vermieden werden Die Laserstrahlung dringt sehr gut bis zur Netzhaut durch wo sie zu einem kleinen Fleck fokussiert wird und dadurch photo chemische und thermische Sch digungen hervorrufen kann Netzhautverbrennungen k nnen die Folge sein 90 Deshalb gilt stets NICHT in den
99. n siehe Kapitel II 2 eine Abwechslung zum blichen experimentellen Repertoire der Schule Zus tzlich k nnte man ausgehend vom eingesetzten Photomultiplier einen Exkurs in den Bereich der Teilchenphysik und deren Gro forschungs projekte z B am CERN anschlie en Die verwendeten Laser bieten die M glichkeit zu einem Exkurs in die Festk rperphysik Anhand der Halbleiterlaser kann das B ndermodell einge f hrt werden Im Wahlbaustein Interpretation der Quantenphysik k nnen mit den Sch lerinnen und Sch lern naturphilosophische Grundfragen behandelt und naturwissenschaftliche Antworten er arbeitet werden Behandelt werden naturphilosophische Probleme und Interpretationen der Quantenphysik und deren erkenntnistheoretische Fragestellungen Hierzu empfiehlt der Lehrplan die Probleme die bei der quantenmechanischen Interpretation entstehen mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse des Doppelspaltversuchs zu thematisieren Le99 S 47 Der Dualismusgedanke stellt Sch lerinnen und Sch ler h ufig vor Verst ndnisprobleme Waren sie bisher gewohnt im Physikunterricht eindeutige Regeln und Gesetze zu lernen begegnen sie hier nun erstmals dem Fall dass Licht Welle oder Teilchen sein kann Probleme entstehen bei Sch lerinnen und Sch lern h ufig durch das Nebeneinander der wi derspr chlichen klassischen Erkl rungsmodelle Diese Schwierigkeiten werden h ufig durch das unreflektierte Verwenden der tradierten klassischen Fachsprache
100. n einzelnen Photonen treffern entsteht langsam ein Muster das auf die Welleneigenschaften des Lichts zur ckge f hrt wird Abb 38 7 Bildquelle Screenshot des Darstellungsfensters der Akkumulationsdatei 63 Abbildung 38 Bildausschnitt der Akkumulationsdatei Mit jedem Treffer wird das erwartete Interferenzstreifenmuster deutlicher erkennbar Das Aussehen des Interferenzmusters h ngt ausschlie lich von der Gesamtzahl der auftreffenden Photonen ab Die Auftreffrate ist unerheblich Auch wenn zu jedem Zeitpunkt nur ein Photon den Detektor erreicht sagt die Wellentheorie das bekannte Interferenzmuster voraus Die Entstehung dieses Musters wird im Zeitraffer Abb 39 deutlich Die erste Aufnahme entsteht nach der Akkumulation von etwa 9000 Einzelbildern die weiteren Aufnahmen basieren auf 12500 bzw 20000 akkumulierten Einzelbildern Die letzte Aufnahme zeigt das Ergebnis nach 45000 Einzelbildakkumulationen Abbildung 39 Die Entstehung des Interferenzmusters im Zeitraffer Der Auftreffpunkt eines einzelnen Photons ist nicht deterministisch Ein Ensemble einzelner Photonen erzeugt dagegen nach der Wechselwirkung mit dem Doppelspalt eine reproduzier bare Verteilung Statistisch gesehen ist die relative H ufigkeit der an einem Ort nachgewie 7 Bildquelle Screenshot des Darstellungsfensters der Akkumulationsdatei 78 Bildquelle WinSIS Screenshots des Darstellungsfensters der Akkumulationsdatei 64 senen Photon
101. n mit Hilfe des dane Bildquelle eigenes Foto 8l benliegenden Potentiometers PM Steuerung reguliert werden Die Sensitivit t des Photo multipliers ist richtig eingestellt wenn zeitlich deutlich getrennte audio Signale zu h ren sind Falls nur ein permanentes Rauschen zu h ren ist befindet sich der Photomultiplier in S ttigung Bei normalen Lichtverh ltnissen liegt der optimale Wert f r V control zwischen 0 4 V und 0 5 V Abbildung 49 Frontplatte Tisch 1 Mit Hilfe des Potentiometers Laser 2 kann die Laserleistung variiert werden und dadurch ebenfalls das Knacken beeinflusst werden Zus tzlich ist zwischen Laser und den Graufiltern ein Shutter eingebaut der in den Strahlengang des Lasers geklappt werden kann Bei Unter brechung des Laserstrahls wird auch das akustische Signal unterbrochen Die Lautsprecher ben tigen 230 V Netzspannung die ebenfalls bei eingeschaltetem Haupt schalter geliefert wird Die Netzspannung wird intern in 12 V Gleichspannung transformiert Die Lautsprecher verf gen ber einen zus tzlichen Ein Ausschalter Power sowie ber einen Bildquelle eigenes Foto 82 Lautst rkeregler Volume und H henregler Tone In eingeschaltetem Zustand leuchtet eine gr ne LED am Lautsprecher unterhalb der Frontplatte Das Audiosignal wird ber eine Klinkenbuchse gr ner Stecker an der R ckseite des Elektro nikkastens hinter der Frontplatte abgegriffen 1 3 Tisch 2
102. ne Gesamtdurchl ssigkeit von 1 5625 Die Ausgangsleis tung des Lasers wird auf diesen Prozentsatz abgeschw cht Von den etwa 8 10 Photonen die bei voller Leistung vom Laser in 100 ms emittiert werden und anschlie end den Doppel spalt passieren erreichen etwa1 25 10 Photonen den Bereich hinter diesen Filtern Zus tz lich zu diesen Filtern kann entweder ein ND 4 0 oder ein ND 6 0 Filter56 eingebaut werden Der ND 4 0 Filter hat eine Durchl ssigkeit von 0 01 der ND 6 0 Filter hat eine Durchl ssig keit von 0 0001 In der Regel ist der ND 4 0 Filter eingebaut was zu einer Gesamtabschw chung von 1 5625 10 f hrt Insgesamt erreichen damit in 100 ms etwa 1 25 10 Photonen den Bildverst rker Alternativ kann auch der ND 6 0 Filter aufgeschraubt werden Dann errei chen etwa 1 25 10 Photonen pro 100 ms den Bildverst rker Werden beide Filter zusammen aufgeschraubt erreichen etwa 10 Photonen pro 100 ms den Bildverst rker 4 2 Der Bildverst rker Anstelle des Schirmes beim klassischen Doppelspaltexperiment ist hier ein Kamerasystem eingebaut Die ankommenden Photonen treffen auf einen Bildverst rker der Firma Proxitro nic welcher ein f r die verwendete CCD Kamera verwertbares Bild erzeugt Das grunds tzli che Bauprinzip des Bildverst rkers ist in Abbildung 25 illustriert Die Rolle des menschlichen Auges bernimmt in diesem Experiment ein CCD Chip der bezogen auf diese Anwendung dem menschlichen Auge weit b
103. nen Materialen zur ck Die Lichtteilchen l sen Wellen aus Diese Wellen sollten nach Newtons Vorstellung die Teilchen verschieden stark beschleunigen An dieser Stelle spielen somit auch in Newtons Lichttheorie Wellen eine Rolle wenn auch nicht im Huygens schen Sinne Antwort auf Frage 29 in Buch 3 entnommen aus Ne52 S 370 Isaac Newton war mit dieser Vorstellung ber das Zusammenspiel des Korpuskularen und Wellenartigen nicht weit von der sp ter als Dualismus des Lichts bezeichneten Theorie ent fernt Die nachfolgenden Generationen interpretierten Newtons Theorie allerdings meist ein facher und gingen nur noch von einem Strom glatter Kugeln aus Newton betonte stets dass sein Teilchen Modell nur eine Veranschaulichung der Natur des Lichts sei und als eine Theorie unter mehreren anzusehen ist Er kannte und respektierte auch die Forschungen und Theorien seines Zeitgenossen Christiaan Huygens 2 3 Die Wellentheorie des Lichts nach Christiaan Huygens Kontr r zur Newtonschen Teilchentheorie entwickelte der Niederl nder Christiaan Huygens 1629 1695 eine Wellentheorie des Lichts Im Jahre 1678 referierte Huygens bereits ber seine Lichttheorie vor der K niglichen u Akademie der Wissenschaften in Paris Allerdings ver ffentlichte er seine Ideen erst 1690 in seiner Abhandlung ber das Licht Tractatus le lumine Im ersten Kapitel dieses Werkes schreibt Huygens ber das Licht Seine Beweisf hrung
104. ng OP Operationsverst rker 39 F r jedes im Photomultiplier detektierte Photon wird also mit der Elektronik und den Aktiv Boxen ein h rbarer Knack erzeugt Die Folge dieser Signale ist statistisch unregelm ig Poisson Verteilung vergleichbar mit der Folge radioaktiver Zerf lle Die mittlere Anzahl der Knacke pro Zeiteinheit l sst sich voraussagen umso genauer je l nger der Zeitraum ist Der Einzelakt entzieht sich jedoch jeder Voraussage Wird der Laserstrahl mittels der eingebauten Blende unterbrochen h rt auch das Knacken auf Das Laserlicht ist also einwandfrei der Ausl ser der akustischen Ereignisse Zus tzlich zur Photomultipliersteuerung und der Triggerelektronik ist die komplette Span nungsversorgung der IC s 5 V und des Photomultipliers 11 5V bis 15 5V 11 5V bis 15 5 V auf der Platine untergebracht Die Netzspannung 230V wird mit dem eingebauten Netzteil auf 12 V GND 12V transformiert Der genaue Schaltplan sowie der Best ckungsplan der Platine sind im Anhang dieser Arbeit abgedruckt 40 3 Variationen des klassischen Doppelspaltexperiments der Wellencharakter des Lichts Der Nobelpreistr ger Richard Feynman sagte zur Bedeutung des Doppelspaltexperiments Das zentrale Geheimnis der Quantenphysik steckt im Doppelspaltexperiment 5Das hei t anhand des Doppelspaltexperiments kann eine Vielzahl der zentralen quantenphysikalischen Fragestellungen experimentell behandelt werden Ins
105. nnen 5 2 3 Die Wellentheorie des Lichts nach Christiaan Huygens uuuessessesseesnensensnennnennennennonnnensonsnennennnn en 7 2 4 Der experimentelle Nachweis des Wellencharakters Das Youngsche Doppelspaltexperiment 10 2 3 Der Nachweis transversaler Wellen die Polarisation des Lichts 22 2200220220neenne nennen 13 2 6 Licht als elektromagnetische Welle die Theorie Maxwells 2u20ns0nnesneesesnesnnennenn nenn 15 2 1 Das Michelson Morley Experiment Die Widerlegung der ther Theorie enee 16 3 Das 20 Jahrhundert Die Natur des Lichts im quantenphysikalischen Kontext sscossonssorsoesenes 18 3 1 Der Photoeffekt die R ckbesinnung auf die Teilchentheorie urersesesnnennennensensnennen nn 18 3 2 Einsteins Lichtquantenhypothese der theoretische Nachweis der Teilchentheorie 18 3 3 Der Compton Effekt experimenteller Nachweis der Photonen ursussesneennennesnensennnennen nn 20 3 4 De Broglies Materiewellen der vollst ndige Welle Teilchen Dualismus eneeen 20 3 5 Interpretation des Welle Teilchen Dualismus 220020022022002nnennennesnennennonsnennennnennennernnennn 21 3 6 Das Bohrsche Komplementarit tsprinzip uueesessnesnesnnennensensnennensnesnennnennennennnnnnensonsnesnnen nennen 22 3 7 Die Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation 22
106. nnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnenensensnnnnnsnnnennsenensnsennsnenssnnnnnn 54 ABBILDUNG 33 DOPPELSPALTEXPERIMENT MIT EINZELNEN PHOTONEN uueeeessseesssnsensnnensnnsnennnnennnnnennnnsensnsnnnnnnn 59 ABBILDUNG 34 BILDREIHE EINZELNE PHOTONEN DETEKTIERT HINTER DEM DOPPELSPALT eeeeesseeesseessenennnnen 60 ABBILDUNG 35 VERTEILUNG DER ANZAHL DER PHOTONENTREFFER PRO AUFNAHME uneeeesssneeessneeeennenennnenennenen 62 ABBILDUNG 36 BILDAUSSCHNITT DER AKKUMULATIONSDATEI ueesesseeeensessnsensnnnennnnnnnnnnennnnnnennsennnnnennnsnnennnanenn 62 ABBILDUNG 37 BILDAUSSCHNITT DER AKKUMULATIONSDATEI ueeeseseessnsessensenennnnnnnnennnnnsennnnnnnnnennnnnenensn nennen 63 ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU ABBILDU 7 Impressum Christian Vogl Alfred Nobel Str 21 55124 Mainz Geburtsort Mainz Matrikelnummer 2483087 Email christianvogl gmx de NG 38 BILDAUSSCHNITT DER AKKUMULATIONSDATEI ueesensessnsessennennnnensnnnnennnnnnnnnenennonnnnnenens nennen 64 NG 39 DIE ENTSTEHUNG DES INTERFERENZMUSTERS IM ZEITRAFFER aaeeesseesssessssensnnnsensnnennnnensnnnennnnn 64 NG 40 AKKUMULATION VON ETWA 500 000 EINZELBILDERN uunessesessseessnnesssneennnennnnnnnnnnnennne nenn nennen 66 NG 41 BEREICH DER INTENSIT TSMESSUNG ueeessssessssesssnensnennnnnnnsnnnennnnnennsnonennsonsnnnnennseennsenensnnen nn 66
107. nsnnnnnnnnnnnnnnnnensen nn n nennen 43 ABBILDUNG 20 INTERFERENZMUSTER BEI EINZELSPALT EINSTELLUNG UND EINGEBAUTER LINSE 44 ABBILDUNG 21 INTERFERENZMUSTER BEI GLEICHER DOPPELSPALT EINSTELLUNG uuuceseesssssessessneneenennnnnnnnnnnennn 44 ABBILDUNG 22 SCHIRMBILD BEI EINSATZ DER POLARISATIONSFILTER VOR DEM DOPPELSPALT zeeeeeeennenenneeennnen 45 ABBILDUNG 23 INTERFERENZMUSTER BEIM DOPPELSPALTVERSUCH eeeesssesssseessnnensnneesnnnnnnnnnnnnnsnnennennn nennen 46 ABBILDUNG 24 SCHEMATISCHER AUFBAU DES DOPPELSPALTVERSUCHS MIT EINZELNEN PHOTONEN 47 ABBILDUNG 25 GRUNDPRINZIP DES BILDVERST RKERS eueeeeeeesnnnessneessnnnensnnennnnnnnnnnnnnnnnnennnsenennnennnnnnensnennnennnn 49 ABBILDUNG 26 QUANTENAUSBEUTE VON PHOTOKATHODEN uueeeseeenseessenenssnnennnnnensensnnnnnnnnnnsnenensensnne nennen sense 49 ABBILDUNG 27 MICROCHANNEL PLATE LINKS UND PRINZIP DER SEKUND RELEKTRONEMISSION RECHTS 50 ABBILDUNG 28 V ANORDUNG DER DOPPELTEN MCP uueesseessseesssnsensnnnnnnnsnennnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennsenenensensnnannnnnen 51 ABBILDUNG 29 CCD KAMERASYSTEM MIT BILDVERST RKER UND VERSCHIEDENEN OBJEKTIVEN 52 ABBILDUNG 30 AUFBAUPRINZIP DES CCD CHIPS uuceesserssnesensensnnennnnnnennnnensnnnennnnnnennseennnsenennnnenssensnnsennssnensnen 53 ABBILDUNG 31 DIE PHASEN DES INTERLINE TRANSFERS uuneeeesssnesssnsessnnnennnnnnnnnnnnnsnnnensnnennnnsneennennennnnnnnsen ernennen 54 ABBILDUNG 32 LENS ON CHIP TECHNIK eeeeesesessssessnnnnnnnneennnnnnnnnn
108. paltversuch mit einzelnen Photonen ursssssessessorsnensersnennnnnnennennennnennn 83 1 3 1 Mersuchsablauf 2saeaseesen tele Sein kamen neun 83 1 3 2 Bedienung WinSIS u 8 2 0 2 2seasri tb ann kiss Sophie 85 1 3 3 Einstellung und Justage der Kamera uussssssnesnosnnensersnennnnnnennennennnennonnnennennnennennennnennensn nn 90 1 3 4 Single Photon Imagine u r u8r sen nike 91 2 Kurzbedienungsanleitungen ersossussssssssnsnnsnssnssnssnsnnennsnnsonsnsnnsnnsnnsnnsnnsnnsnsnnsnnsnnsnnsossnssnsnnssnsnssnssnnsnnsnnn 93 3 Herstellernachweis sssssssssssnsonsnsnssnsnssnonssnonsnnsnsnnensnnensnssnsnssnsnsnsnsnnsnsnnensnnensnssnsnssnsnssnensnnnsnnnsnnensnnsnsnnenenn 95 4 Blektronik Layouts seiecssiinineennssnngeonnsnshennnnsn nennen nsnnnhnensenenssh rsnnesnheen anne een v sste sovo ee eree een nenne 97 5 Literaturverzeichnis sesoessssorsnsnssnsnsonsnssnsnssnonssnsnsnnsnsnnsnsnnensnssnsnssnsnssnsnsnnsnsnnensnnensnssnsnssnsnnsnsnsnnsnsnnensnnennne 99 6 _ bbildungsverzeichnis sssssssessshesscsssissnssessksnesssnsnnensnsns nsensnssusnesssusshensnensnnsesunsnsssssssnushennssnhschsssnsssiehenenen 101 T Imipressum siueinesssssusossinkenslshbeiseliestsnsiselssi ssbss chiessbeles iessisssstsnsndehsnthtedeshiesiehen 102 8 Danksag ng snes eesesssssssso tesno rodes sast isa orasons seos dess soras r ase sodas eooo porous ssar s Stora orso s ie Sas ee 103 Einleitung
109. pfindung in der Nachbarschaft der betroffenen Netzhautstellen ausgeglichen Ro99 Mit diesem Trick k nnen im Vergleich zum wei en Schirm etwa 1 2 Maxima auf jeder Seite zus tzlich sichtbar gemacht werden Eine weitere Variationsm glichkeit erm glichen die eingebauten Polarisationsfilter Im unte ren Teil des vorderen Doppelspalts sind vor den Spalt ffnungen Polarisationsfilter ange bracht Da die Polarisationsrichtungen der beiden Filter um 90 gegeneinander verdreht sind stehen die Schwingungsebenen der sich berlagernden Lichtstrahlen senkrecht zuein ander Seit Fresnel vgl Kapitel 1 2 5 ist bekannt dass derart pr pariertes Licht keinerlei Interferenzerscheinungen zeigt Auch im hier vorgestellten Versuch verschwindet das Inter ferenzmuster wenn der Laserstrahl vor dem Doppelspalt die Polarisationsfilter passiert Abb 22 Abbildung 22 Schirmbild bei Einsatz der Polarisationsfilter vor dem Doppelspalt Bildquelle eigenes Foto 45 Experimentell wird damit Bohrs Komplementarit tsprinzip untermauert vgl Kapitel 1 3 6 Solange kein Versuch unternommen wird die Lichtquanten entlang ihres Weges durch die Versuchsapparatur zu lokalisieren zeigt sich der Wellencharakter des Lichts Aufgrund der Polarisationsfilter werden die beiden m glichen Wege durch den Doppelspalt unterscheidbar Die Photonen sind als Teilchen gekennzeichnet In der Beobachtung treten sie dann auch nur noch als solche auf das Interfer
110. r schiedene Lichterscheinungen einzelner Himmelsk rper Mit diesem Werk legt Kepler die Grundlage f r die neue Behandlung der Optik 2 2 Die Teilchentheorie des Lichts nach Isaac Newton Im Jahr 1675 ver ffentlichte Sir Isaac Newton 1643 1727 3 in seinem Werk A Hypothesis explaining the properties of light erstmals eine Korpuskelthe orie des Lichts Wegen eines Priorit tenstreits mit seinem Landsmann Robert Hooke 1635 1703 wartete Newton bis zu dessen Tode ehe er 1704 in Bildquelle des Portraits www schloss butzbach de pictures photos archiv kepler jpg Bildquelle des Portraits http scienceworld wolfram com biography Newton html Opticks or a treatise of the reflections refractions inflections and colours of light einen umfassenden berblick seiner berlegungen zu optischen Problemen gibt Sein Ziel ist es die Eigenschaften des Lichts nicht wie in der griechischen Tradition durch Hypothesen sondern durch Argumente und Experimente zu erkl ren Newton definiert Licht am Beginn seines Werkes For it is manifest that Light consists of Parts both Successive and Contemporary Ne52 S 1 Er behandelt Licht als einen Strom zeitnah aufeinander folgender dahinfliessender Teilchen Die Newtonsche Lichttheorie wird daher allgemein auch als Teil chen oder Korpuskulartheorie bezeichnet Die Teilchen gehen geradlinig von einer Licht quelle aus und breiten sich mit gro er Geschwindigkeit im Raum aus
111. r Quantenthe orie die klassische Mechanik als Teilchentheorie die klassische Elektrodynamik als Wellentheorie und die stochastisch gepr gte Thermodynamik mit Hilfe der mathematischen Formelsprache unter einem Dach vereint und dadurch die Probleme des klassischen Welle Teilchen Dualismus berwunden 3 8 Das Taylor Experiment Beugungsversuche mit verd nntem Licht Die experimentelle Darstellung der Dualismus Idee wurde auf verschiedene Arten versucht Bereits 1908 untersuchte Geoffrey I Taylor 1886 1975 28 ein Beugungsexperiment mit Licht u erst geringer Intensit t In seiner The orie ist die Energie ungleichm ig ber die Wellenfront verteilt Innerhalb der Wellenfront gibt es Regionen maximaler Energie welche durch ungest rte Fl chen von einander getrennt sind Bei einer Verringerung der Intensit t werde so Taylor nur der Ab stand zwischen den Regionen gr er der Betrag der Energie in den Regionen ndert sich aber nicht da sie in unteilbaren Einheiten auftritt Er verringerte die Intensit t des Lichts durch Rauchglasscheiben soweit dass kaum mehr als zwei Quantenobjekte des Lichts zwi schen Quelle und Schirm waren Aufgrund dieser Reduzierung der Intensit t erreichen nur 7 Bildquelle www nobel se physics laureates 1954 8 Bildquelle des Portraits http www history mes st and ac uk history Mathematicians 24 wenige Photonen sofort die Huygens Zone Dadurch werden die bekannten
112. r skalierte Darstellung gew hlt werden Der gew hlte Intensit tsbereich wird auf 256 Stufen linear skaliert und dargestellt Folgende Einstellungen f r den Intensit tsbereich sind w hlbar Von 0 bis zur maximalen Intensit t im Bild Max von der minimalen bis zur maximalen Intensit t im Bild MinMax oder innerhalb eines individuell definierten Bereiches Range Intensit ten unterhalb der unteren Grenze werden auf 0 gesetzt Intensit ten oberhalb der oberen Grenzen werden auf 255 gesetzt Das Bild wird gem der Programmvoreinstellung zuerst in einer Graustufenskala dargestellt Die Verteilung der Skala ist in der ImageOptionsBox in einem Streifen am rechten Rand il lustriert Durch Anklicken dieses Streifens ffnet sich das Fenster Load Palette Hier kann aus zehn verschiedenen Farbpaletten die gew nschte gew hlt werden Bew hrt hat sich die Darstellung mit der RBGV LUT Skala welche im Wesentlichen das Lichtspektrum von rot bis violett darstellt Nach Anklicken eines Palettennamens erscheint am unteren Rand des Fens ters eine Vorschau der Farbverteilung der Palette Mit dem ffnen Button wird die Palette geladen Anschlie end muss das Load Palette Fenster mit Abbrechen wieder geschlos sen werden Die Darstellung des Bildes erfolgt nun farbig Je nach Anzahl der Photonentref fer auf einem Pixel verschiebt sich die Farbe auf der Skala von oben wenige Treffer nach unten viele Treffer Das Programm
113. ra funktions f hig ist insbesondere ob die Spannungsversorgung des Bildverst rkers eingeschal tet ist Kontrolle der Stecker Ferner kontrollieren sie den Anschluss der Kamera an dem PC Firewire Kabel Kein Interferenzmuster Falls ein Bild vorhanden ist aber kein Interferenzmuster er kennbar ist empfiehlt es sich wie folgt vorzugehen o Entfernen des Doppelspalts o Einstellung des Laserstrahls auf das Objektiv Der ungebeugte Laserstrahl erscheint als runder sehr intensiver Punkt im Dar stellungsfenster Justage des Punktes in etwa auf die Mitte des Darstellungs fensters o Wiedereinbau des Doppelspaltes in den Strahlengang Das gew nschte Muster erscheint an der Position des Punktes falls der Dop pelspalt korrekt eingebaut wurde Mit dem Experimentieren kann begonnen werden 90 1 3 4 Single Photon Imaging Das Programm WinSIS bietet die M glichkeit einzelne Photonen zu detektieren Hierzu bietet WinSIS das Makro Single Photon Imaging In der unteren rechten Ecke des WinSIS Desktops findet sich ein Button um das Dialogfenster des Single Photon Imaging SPI zu ffnen Abb 53 gr n unterlegt Durch Doppelklick oder durch die Taste F10 ffnet sich das Dia logfenster Abb 56 Acg Image ISERFIRE Accu Image akku H Exec Lower Limit 10 Upper Limit 100 X cancel Abbildung 56 Single Photon Image Dialogfenster Eine Akquirierungs Bilddatei muss angegeben werden In der Regel ist dies
114. reihen werden mit der theoretisch erwarteten Poisson Verteilung verglichen In Abbildung 35 wird die Verteilung der Ereignisse gegen die Anzahl der Photonen pro Ereignis aufgetragen 74 Berechnet mit Formel 10 Poisson Verteilung f r Erwartungswert 1 61 2 0 4 a e D Ar 0 3 g 2 0 2 N e gt 3 0 0 i Bi gt 0 2 3 4 5 Anzahl der detektierten Photonen EEE Theoretische PV 1 Messreihe 2 Messreihe 3 Messreihe Summe von 1 3 Abbildung 35 Verteilung der Anzahl der Photonentreffer pro Aufnahme Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung entsprechen in guter N herung den theo retisch erwarteten Ergebnissen Der stochastische Charakter des Quantenph nomens Licht wird bei dieser Untersuchung der Versuchergebnisse deutlich Alle Photonen die in der Live Aufnahme angezeigt werden k nnen in einem Akkumulati onsspeicher aufaddiert werden Betrachtet man nun die Darstellung des Akkumulationsspei chers kurz nach Beginn des Versuchs so ist noch kein Muster erkennbar Die Auftreffpunkte der einzelnen Photonen sind scheinbar v llig unkoordiniert auf dem Schirm des Bildverst r kers verteilt Abb 36 Abbildung 36 Bildausschnitt der Akkumulationsdatei 7 Bildquelle WinSIS Screenshot des Darstellungsfensters 62 Versucht man die Position des jeweils n chsten Photonentreffers exakt vorherzusagen wird man wenig Erfolg haben Der Ort eines einzelnen Photons wird vo
115. rstmals Interferenzph nomene nach die durch verd nntes Licht sprich einzelne Photonen erzeugt wurden Gleichzeitig stellt sein Experiment erstmals die ver schiedenen Charaktere des Lichts in einem Versuchsaufbau dar 3 9 Claus J nsson Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen In den f nfziger Jahren des 20 Jahrhunderts untersuchten Boersch M l lenstedt und D cker die Elektronenbeugung am elektrischen Biprisma Basie rend auf diesen Experimenten entwickelte M llenstedts Sch ler Claus J nsson 29 im Rahmen seiner Dissertation ein Doppelspaltexperiment welches es erlaubt Elektroneninterferenzen zu visualisieren J nsson ersetzte das Biprisma durch Bildquelle des Portraits Eberhard Karls Universit t T bingen 25 einen Doppelspalt und beobachtete auf einem Schirm auftreffende Elektronen In berein stimmung mit der Teilchenvorstellung von Elektronen zeigen sich lokalisierbare Auftreffstel len der Elektronen auf dem Schirm Die Positionen der einzelnen Auftreffstellen sind stochastisch verteilt Nach ausreichend langer Experimentierzeit treten auf dem Schirm die seit Young bekannten Interferenzstreifen auf Die Streifen sind nicht mehr mit der Teilchen theorie des Lichts erkl rbar Die Elektronen zeigen unter diesen experimentellen Bedingun gen Wellencharakter J nsson gelang es das entstandene Interferenzmuster auf Photopapier zu bannen Abb 5 0 001 mm Abbildung 5 Elektroneninterf
116. sbreitung der Lichtstrahlen ausgegangen In der gyptischen Hochkultur war der Sonnengott Re der K nig der G tter Das Licht der Sonne spielte somit auch in der Glaubenswelt der gypter eine gro e Rolle Den Gelehrten war die geradlinige Ausbreitung der Lichtstrahlen bekannt Im Vordergrund standen optische Naturph nomene Die gypter berechneten zum Beispiel mit Hilfe der L nge der Pyramiden schatten die H he des Sonnenstandes Diese praktischen Anwendungen standen im Mittel punkt der naturwissenschaftlichen Forschungen ber das Ph nomen Licht Weder in babylonischen noch in gyptischen Quellen finden sich Abhandlungen ber das Wesen des Lichts aus naturwissenschaftlicher Sicht 1 2 Die hellenistische Hochkultur Ab dem 6 Jhd v Chr entwickelt sich in Griechenland eine wissenschaftliche Behandlung der Optik Die naturwissenschaftlichen Werke griechischer Lehrmeister behandeln ausschlie lich Probleme der geometrischen Optik Seit Geminos 1 Jhd v Chr wird zwischen den Teilge bieten Optik Katoptrik Skenographie und Dioptrik unterschieden Die Optik als die Lehre vom Sehen wird in Euklids Buch Optik um 300 v Chr ausf hrlich beschrieben Die Ka optrik ist die Lehre von der Reflexion Das Reflexionsgesetz ist schon bei Euklid bekannt und findet Erw hnung in Werken von Archimedes Ptolem us und Heron Ptolem us erstellt Bre chungstabellen kennt aber noch kein Brechungsgesetz Dieses findet man erstmalig bei
117. schen Aufbau der Versuche Seine Unterst tzung erm glichte erst die Umsetzung vieler Ideen Gedankt sei in diesem Zusammenhang auch dem Team der mechanischen Werkstatt des Instituts f r die Anfertigung diverser Bauteile Bruno Bauss danke ich f r die Hilfe bei der Erstellung der Elektronikplatinen Der Elektronik Werkstatt geb hrt mein Dank f r die Best ckung der Platinen namentlich Frau Barna Herrn Schuster und dem leider schon verstorbenen stellvertretenden Leiter der Elektronik Werkstatt Herrn Kuiper Herrn Tartacyzk von der Firma Theta System danke ich f r die Unterweisung in das WinSIS System 103 Allen ETAP lern danke ich f r die angenehme Atmosph re in der Arbeitsgruppe Besonders hervorzuheben ist dabei Frau Silvia M ller die gute Seele der Arbeitsgruppe Ferner danke ich Hubert Veltens und meinen Eltern Renate und Dieter Vogl f r ihre Unter st tzung und Hilfe bei der Elimination der vielen kleinen Fehler die sich immer wieder in den Text eingeschlichen haben Mein besonderer Dank gilt abschlie end zwei Personen Zum einen Matthias Fuidl f r die angenehme B rogemeinschaft die stete Bereitschaft zur Diskussion ber die Arbeit und die Hilfe in mancher Krisenphase Zum anderen Bianca T nzer f r ihre Geduld und Ausdauer alle H hen und Tiefen der Arbeit mit mir zu teilen 104 Erkl rung Hiermit erkl re ich dass ich die vorliegende Arbeit selbstst ndig und nur mit den angegeben Hilfsm
118. sehr kurze Laufzeit der Elekt ronen in der R hre erreicht Die Laufzeit beeinflusst entscheidend die Qualit t des Signals Aufgrund der kurzen Laufzeiten wird eine Flankenanstiegszeit von etwa 780 ps und eine Abfallzeit von etwa 1150 ps erreicht Die typische Form des Outputsignals des R7400U ist in Abbildung 15 illustriert 50lmY div RISE TIME FALL TIME SUPPLY VOLTAGE 809 V AISE TIME 780 ps FALL TIME 11509 ps PULSE WIDTH 1570 ps tinsidiv Abbildung 15 Typische Form des Ausgangssignals Die Einstellung der Sensitivit t des Photomultipliers erfolgt ber die Variation der Versor gungsspannung des Photomultipliers Die Spannungsversorgung kann mit Hilfe eines Poten entnommen aus Ha98 S 5 38 tiometers variiert werden Hierzu wird eine vom Photomultiplier Modul gelieferte Referenz spannung Vret variiert durch das Potentiometer als Kontrollspannung Vcontro an das Photo multipliermodul zur ckgef hrt Der Wert der Kontrollspannung kann mit Hilfe eines Multimeters kontrolliert werden Die Sensitivit t des Photomultipliermoduls kann somit den jeweiligen Lichtverh ltnissen angepasst werden 2 3 Vom detektierten Photon zum h rbaren Signal Die Triggerelektronik und die Aktivboxen Das Spannungssignal der Anode trifft in der angeschlossenen Elektronik auf eine Schmitt Trigger Schaltung Diese Schaltung besteht aus einem als Komparator mit Hysterese ver schalteten Operationsverst rker LM3
119. sensnnsn nennen nennenn 91 NG 57 PLATINENBEST CKUNGSPLAN eeeeunsensensenennnnsensnnsnnnsensnnennnnonsnnennnsnennsennennnensnsnenssnnennsennnsnennsann 97 NESNE AS NSI A For ee ae EE rennen rt ne 97 NG 59 SCHALTPLAN ELEKTRONIK TISCH 1 ueeeseneeesensessnnennnnneennneennnnnennnnnnnnnsnennnnennenenennsensenseennnnnnennnnn 98 Johannes Gutenberg Universit t Mainz Fachbereich 18 Institut f r Physik WA Experimentelle Teilchen und Atomphysik ETAP Staudingerweg 7 55099 Mainz www physik uni mainz de 102 8 Danksagung An dieser Stelle m chte ich mich bei allen Menschen bedanken die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben Herrn Prof Dr H G Sander danke ich f r die Betreuung meiner Arbeit und die M glichkeit ein Thema mit Bezug zu meinem sp teren Arbeitsbereich der Schule bearbeiten zu k nnen Herrn Prof Dr K Kleinknecht danke ich f r die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe und seinen Einsatz f r die Bereitstellung der nicht unerheblichen finanziellen Mittel die zur Realisation der Experimente von N ten waren Herrn Prof Dr L K pke danke ich f r seine Bereitschaft als Korrektor f r diese Arbeit zur Verf gung zu stehen Mein besonderer Dank gilt Dr Thomas Trefzger der mich zur Auseinandersetzung mit die sem Thema anregte und w hrend der gesamten Zeit stets ein offenes Ohr f r Fragen und Probleme hatte Karl Heinz Geib danke ich f r seinen unerm dlichen Einsatz beim mechani
120. ser von 2mm und bestrahlt damit eine Fl che von etwa 12 56 mm Der Fl cheninhalt der Spalt ffnungen betr gt nur beide Spalte zusammengenommen 0 32 mm Das hei t nur etwa 2 5 der Photonen passieren den Doppelspalt Bei voller Laserleistung sind dies in 100 ms etwa 8 10 Photonen Der Abstand zwischen Doppelspalt und Bildverst rkervorderseite betr gt 650 mm Vor dem Bildverst rker ist ein Kameraobjektiv aufgeschraubt das ein scharfes Abbild auf der Vorder seite des Bildverst rkers erm glicht An der Vorderseite dieses Objektivs sind mit Hilfe von Adaptern direkt mehrere Graufilter aufgeschraubt Die Filter k nnen dadurch zwei Aufgaben gleichzeitig wahrnehmen Zum einen sch tzen sie den Bildverst rker vor zu intensivem Streulichteinfall Der Bildverst rker ist von seiner Sensitivit t her zur Verarbeitung sehr licht gt CCD charged coupled device weitere Erl uterungen siehe Kapitel 4 4 47 schwacher Signale gebaut und muss daher durch Filter vor zu starkem Licht gesch tzt wer den Dies geschieht am effektivsten wenn die Filter direkt auf das Objektiv aufgeschraubt sind Die zweite Aufgabe der Filter besteht wiederum in der Minderung der Intensit t des Laserlichts Da der Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen realisiert werden soll muss der Laserstrahl durch Graufilter abgeschw cht werden Eingebaut sind ein 2fach Afach und 8fach Graufilter mit einer Durchl ssigkeit von 50 25 und 12 5 Diese Filter haben ei
121. sistente vollst ndige Beschreibung der auftretenden Ph nomene Es gibt keine tiefer liegende Realit t als die vom Beobachter abh ngige Realit t Der Diskurs zwischen Realisten und Kopenhagener gipfelte 1935 in der EPR Debatte 4 Es ging in einem Gedankenexperiment um der Grundfrage der Nicht Lokalit t W hrend die Realisten von einem lokalen Aufbau der Welt ausgehen gehen ist die Welt in der Interpreta tion der Kopenhagener nicht lokal Nicht Lokalit t bedeutet dass eine lokale Beeinflussung eines Objekts stets unmittelbaren Einfluss auf den gesamten Rest des Universums hat John S Bell fand 1964 mit seinen Bellschen Ungleichungen ein mathematisches Entschei dungskriterium zwischen Lokalit t und Nicht Lokalit t Mit den Bellschen Ungleichungen zeigt sich dass jede lokale Theorie mit den Voraussagen der Quantentheorie in Widerspruch ger t 1982 gelang schlie lich einer Arbeitgruppe und Alain Aspect der erste experimentelle Nachweis der Nicht Lokalit t der Welt Weitere Experimente best tigen bislang ebenfalls die se Annahme Nach dem heutigen Stand der Forschung erscheint die Interpretation der Ko penhagener als die Treffendere Aber bereits Niels Bohr sagte ber die unterschiedlichen Interpretationen der Quantenphysik Das Gegenteil einer richtigen Behauptung ist eine fal sche Behauptung Das Gegenteil einer tiefen Wahrheit kann durchaus ebenfalls eine tiefe Wahrheit sein LeOOb 3 6 Das Bohrsche Komplement
122. soeoeoesesesosececorseoe 47 4 1 Die Pr parierung des Lichts Laser Doppelspalt Filter Objektiv essesseeesseesessseersseesesssesersesreses 47 4 2 D r Bildyerstar ker 2 nehmen E E E E A 48 4 3 Die CCD Kamera euren ste n ni 32 4 4 Kamerasteuerung und Bilddarstellung s esseseseeseeeseesreeeseerrseeserrssrerrsresestssretesrnrerrseerstenterrsreeesrene 55 5 Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen esscsessesesessosessesoosesseseosesossesossessesossesossesssossssso 59 Ill EINSATZ DER EXPERIMENTE IN SCHULE UND UNIVERSIT T nununnanannsenennnnnonnnnnnnnnnnnnnnnne 70 1 Der Themenkomplex Licht im Physikunterricht der Mittel und Oberstufe ousssssssonsossnssorsersnene 70 2 Einsatz an der Universit t essssesssnesnenssesneneoneneonenennenennenennenenesnenennenennenennenennenennenenesnenennenennesennenennenennenenenn 74 IV ZUSAMMENFASSUNG 2 22 22 12a a apana rep e EEaren iak 75 ANHANG eae nenn ne eh anne geek ea en 76 1 Bedien ngsanleitung scrssssssesesissessss nssssssissnessenssrssschetunssnissessnenssennnennehanseesssssbesnandennhehns ersuchen she 76 1 1 Allgemeine Hinweisesr ua seeniesieknen name He sa np 76 1 2 Lisch 22 38 482 22 Passen se bes E A E 79 1 2 1 Variationen des klassisches Doppelspaltexperiments uussssesnnennennesnennnennensnennnnnnennennennennnenan 79 1 2 2 H rbarmachen von Ph t nen essen EE A AEE R A benennen 80 1 3 Tisch 2 Der Doppels
123. stuft haben ebenfalls Welleneigenschaften besitzen k nnen Diese Materiewellen so de Broglie blieben bisher aufgrund der sehr kleinen Wellenl nge experimentell unentdeckt Er Bildquelle des Portraits www nobel se physics laureates 1927 The Nobel Foundation Bildquelle des Portraits www nobel se physics laureates 1929 The Nobel Foundation 20 vollzog also den logischen Umkehrschluss und wies Teilchenartigem einen Wellencharakter zu Seine Theorie der Analogie von Licht und Materie rundete die bisherigen Hypothesen zu einem vollst ndigen Welle Teilchen Dualismus ab 1929 erhielt de Broglie den Nobelpreis f r die Entdeckung der Wellennatur des Elektrons Die erste erfolgreiche experimentelle Umsetzung der Ideen de Broglies gl ckten Davisson und Germer 1927 mit Elektronenbeugung an Graphitkristallen F r ihre Experimente erhiel ten sie 1937 den Nobelpreis 3 5 Interpretation des Welle Teilchen Dualismus Im Kontext der klassischen Physik d h der Physik vor 1900 standen sich damit Anfang des 20 Jahrhunderts die Wellentheorie und die Teilchentheorie unvereinbar gegen ber Je nach experimenteller Anordnung musste man die eine oder die andere Theorie zur Erkl rung der auftretenden Ph nomene heranziehen Man sprach ab dieser Zeit von Welle Teilchen Dualismus Mit dem Begriff des Dualismus nahmen die Physiker eine Anleihe aus dem Be reich der Philosophie Der Terminus umschreibt dort eine Lehr
124. t 73 im Realexperiment im Livebild zu sehen sind sowie eine Akkumulationssequenz mehrerer Einzelbilder Kurze Begleittexte erl utern die Videos Die Videosequenzen k nne in Echtzeit oder Zeitlupe abgespielt werden Auch Einzelbildvorlauf ist m glich Die Pr sentation wurde mit dem Video Mess und Pr sentationssystem ViMPS 8 erstellt ViIMPS erm glicht auch das Abspielen der Pr sentation Die Pr sentation und das Programm ViMPS k nnen auf den Internetseiten der Universit t Mainz86 herunter geladen werden Diese Pr sentation kann im Unterricht eingesetzt werden um mit Hilfe der Originalvideos den Sch lerinnen und Sch lern die Versuche n her zu bringen 2 Einsatz an der Universit t Die Versuche werden im Lehrbetrieb an der Universit t im gesamten Bereich der Experimen talphysik eingesetzt An geeigneter Stelle meist bei der Behandlung des Dualismus des Lichts werden die Experimente in den Physik Vorlesungen des Grundstudiums eingesetzt Die Versuchsaufbauten bieten hier die M glichkeit eines Realexperiments an einer Stelle an der bislang h ufig auf Filme oder Computersimulationen zur ckgegriffen werden musste Die Versuche sind in der Sammlung des Lehramtspraktikums untergebracht Im Rahmen der Lehramtskandidatenausbildung werden sie im Demonstrationspraktikum eingesetzt Der Einsatz erfolgt in den Bereichen Optik und Wellenoptik Auch die Verwendung in den Fachdidaktik Seminaren ist
125. t ge ffnet sodass man auf dem Schirm das Beugungsmuster eines Einzelspalts sieht Wenn der variable Doppelspalt um 0 45 mm verschoben wird ist sein lin ker Spalt deckungsgleich mit dem rechten Spalt des zweiten Doppelspalts bzw komple ment r dazu sein rechter Spalt deckungsgleich mit dem linken des zweiten Doppelspalts Das Beugungsmuster des Einzelspalts zeigt sich deutlich auf dem Schirm Abb 20 43 Abbildung 20 Interferenzmuster bei Einzelspalt Einstellung und eingebauter Linse Auf der optischen Achse kann hinter den Doppelspalten eine Linse mit einer Brennweite von 50 mm eingebaut werden Da der Schirm auf der optischen Achse weit hinter der Brennweite der Linse positioniert ist wird das Beugungsbild bei eingebauter Linse aufgeweitet und auf dem Schirm abgebildet In horizontaler Richtung vergr ert sich die Breite der einzelnen Maxima und Minima d h die hellen Streifen erscheinen gr er und deutlicher von einander getrennt In vertikaler Richtung werden die Streifen l nger Das Beugungsbild erscheint im brigen gem den Gesetzen der geometrischen Optik spiegelverkehrt und auf dem Kopf stehend Dies ist allerdings aufgrund der symmetrischen Form des Musters unerheblich Ins gesamt wird das Interferenzmuster bei Einsatz der Linse deutlicher als Streifenmuster er kennbar Abb 21 Abbildung 21 Interferenzmuster bei gleicher Doppelspalt Einstellung links ohne eingebaute Linse und rechts mit eingebauter Linse
126. tellen werden die einfallenden Photonen im do tierten Siliziumkristall absorbiert und erzeugen dort aufgrund des inneren Photoeffekts des Siliziums Elektronen welche ins Leitungsband gelangen Durch umgebende Elektroden wird eine Struktur aus Ladungssenken und Ladungsbarrieren geschaffen welche die entstehen den Elektronen r umlich fixiert Die Anzahl der entstehenden Elektronen ist ein Ma f r die Intensit t des einfallenden Lichts Jedes lichtempfindliche Element des CCD Sensors baut seine Ladungsmenge auf und liefert damit das Rohmaterial f r einen Pixel6 des digitalen Bildes Ki01 Neben den lichtempfindlichen Stellen dem Belichtungsbereich besteht der CCD Chip zus tzlich aus lichtundurchl ssigen Stellen dem Schieberegister Abb 30 Das Auslesen der Ladungen erfolgt mit dem Interline Transfer Die durch die Belichtung entstan den Ladungspakete werden durch periodische Potential nderungen an der Elektrodenstruk tur durch den Kristall geschoben abgedunkeltes lichtempfindliche Schieberegister Sensorfl che Schieberichtung Ausleseregister Schieberichtung Abbildung 30 Aufbauprinzip des CCD Chips Die in der lichtempfindlichen Sensorfl che erzeugten Ladungspakete werden horizontal in das abgedunkelte Schieberegister bernommen Abb 31 links Unmittelbar nach dem Ver 6 Pixel Kunstwort aus picture element Bildquelle www ccd sensor de 53 schieben steht der lichtempfindliche Bereich wieder zur
127. tvolle experimentelle Unterst tzung leisten Die historischen As pekte k nnen aber auch problemlos in den oben erw hnten Pflichtbausteinen als erg nzende Informationen integriert werden Le99 5 48 Die Experimente sind an der Universit t beheimatet Sch lergruppen haben die M glichkeit mit den Experimenten bei Besuchen an der Universit t zu arbeiten Dies ist m glich im Rah men des PeP Projekts oder bei individuell organisierten Besuchen von Physikkursen Weite re M glichkeiten ergeben sich unter Umst nden durch das gerade im Aufbau befindliche Programm Nat Sch lerlabor Neben diesen M glichkeiten in der Universit t k nnen Schulen die Versuche f r den Einsatz vor Ort beim Institut f r Physik ausleihen F r diesen Einsatzzweck befindet sich im Anhang dieser Arbeit eine ausf hrliche Betriebsanleitung F r Schulen denen es nicht m glich ist mit den Realexperimenten zu arbeiten wurde eine Videopr sentation erstellt 8 Die Pr sentation zeigt mehrere Videosequenzen die mit WinSIS am Realexperiment aufgenommen wurden Zu sehen sind Abfolgen von Einzelbildern wie sie 2 PeP Physik erfahren im Forschungs Praktikum Weitere Informationen unter http larissa physik uni mainz de pep 3 Programm f r Sch lerinnen und Sch ler der naturwissenschaftlichen Fachbereiche der Universit t Mainz Weitere Informationen unter http www nat schuelerlabor de Download der Pr sentation unter www physik uni mainz de lehram
128. u22s20042000sensonneesnennnennennnnnonnnensonnnennnnnnennnnn 23 3 8 Das Taylor Experiment Beugungsversuche mit verd nntem Licht 22u00002002 ser neeneenneeneen 24 3 9 Claus J nsson Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen ersesesnnennennensennnennen 25 Il EXPERIMENTE ZUM DUALISMUS DES LICHTS zuuuu22044400nnn00nnnnnnnnnnannnnnnannnnnnnnnnnnnnnnannnnnn 27 1 _Monochromatisches intensit tsschwaches koh rentes Licht zssesesnenesneneneoneneoneneonenennenennenennenenenneneen 27 1 1 Die Lichtquelle ein Laserdiodenmodul 2u 2200220002000nsnnsnnonsnnennnnsnsnnsnnnnnnnnnnnnnennnnnnsn onen 27 1 2 Die verschiedenen Filter und ihre Funktionsweise uesersessssnnsnnennesnensnnnnonsnnsnennnennennennonnonson non 30 2 Das H rbarmachen von Photonen Nachweis des Teilchencharakters sessrossssononsneonsnsonsnnenensanene 33 2 1 Abschw chung des Laserstrahls 2 2 22 2 2 2 2 22 288222 2 22 885 088 BRRR RER 34 2 2 Nachweis der Photonen das Photosensormodul 2 2224204420022042nennoenennnsnnennennnnsnenensnennennnen 35 2 3 Vom detektierten Photon zum h rbaren Signal Die Triggerelektronik und die Aktivboxen 39 3 Variationen des klassischen Doppelspaltexperiments der Wellencharakter des Lichts 41 4 Einzelne Photonen am Doppelspalt der Versuchsaufbau sesesseseesoeseserosecesoeseoesoseseso
129. uantenausbeute von ca 0 5 1 Das hei t nur etwa jedes hundertste Photon das das Eintrittsfenster des Photomultipliers erreicht verur sacht die Erzeugung von Elektronen Dies sind bei voller Laserleistung etwa 1 3 10 pro 100 ms Aufgrund des Photoeffekts werden durch diese Photonen im Inneren der Kathode Elektronen freigesetzt Da diese Elektronen infolge von St en mit dem Metallgitter ihre Energie teilweise verlieren kann nur ein Teil der freigesetzten Elektronen die Kathodenober fl che verlassen Das Verh ltnis zwischen den eingestrahlten Photonen und ausgel sten Elektronen wird als Quantenausbeute bezeichnet Die ausgel sten Elektronen werden aufgrund des angelegten elektrischen Feldes im Vakuum in Richtung des Elektronenmultipliers beschleunigt Abb 13 Sie treffen auf die erste Dynode des Elektronenverst rkers Der Elektronenverst rker besteht aus einer mehrstufigen Anord nung von Elektroden den so genannten Dynoden Die Dynoden bestehen aus einem Material mit hohem Sekund remissionskoeffizienten Der Multiplier wird deshalb auch als Sekund re lektronenvervielfacher bezeichnet entnommen aus Ha98 S 2 36 FOCUSING ELECTRODE SECONDARY ELECTRON LAST DYNODE STEM PIN VACUUM 104 Pa DIRECTION gt OF LIGHT FACEPLATE nn ELECTORON MULTIPLIER DYNODES PHOTOCATHODE TPMHCOOOBEA Abbildung 13 Schnittzeichnumg durch eine Photomultiplierr hre Pro einfallendem Elektron werden von der
130. us welche allm hlich von einem Luftteilchen zum anderen fortschreitet Hu64 S 11 Die Aus breitung erfolgt ohne Bewegung der Luftteilchen selbst Sie ist nach allen Seiten gleich schnell wobei sich Kugelfl chen bilden Diese wellenartige Bewegung sieht Huygens auch bei Licht gegeben Das Licht gelangt durch eine Bewegung welche der Materie mitgeteilt wird zu uns Da das Licht f r seinen Weg Zeit braucht kann man von einer allm hlichen Bewegung ausgehen Huygens spricht bei der Beschreibung dieser Bewegung von Wellen wegen der hnlichkeit mit jenen welche sich im Wasser beim Hineinwerfen eines Steines bilden Hu64 S 11 Dies ist historisch gesehen die erste Beschreibung des Lichts als Wel lenbewegung Die Unterschiede zwischen Schall und Licht liegen in der Erzeugung der Bewegung der Art der Fortpflanzung dem Mittel in welchem sich die Bewegung fortpflanzt und in der Ge schwindigkeit der Welle Die Ausbreitung des Schalls findet in der Luft welche wir f hlen sp ren und atmen k nnen statt Die Schallwellen werden durch eine pl tzliche Ersch tterung eines K rpers erzeugt und breiten sich durch die Kompression und Dekompression der Luft aus Entzieht man dem Raum die Luft ist kein Schalltransport mehr m glich Das Licht wird aber weiterhin ungest rt transportiert Dies berpr fte Huygens durch Experimente mit der gerade von Boyle erfundenen Vakuumpumpe Daher kann die Materie in welcher die von den leuchtenden K
131. verst rkt Beim Dop pelspaltversuch mit einzelnen Photonen erleben die Sch lerinnen und Sch ler ihre quanten physikalische Grunderfahrung Gewohnte Anschauungen versagen es treten Widerspr che auf Der stochastische Aufbau der Interferenzbilder zeigt den Sch lerinnen und Sch lern 72 dass allzu weitreichende Vergleiche mit klassischen Wellen und klassischen Teilchen unzu l ssig sind Dieses janusk pfige Verhalten des Lichts sollte gemeinsam mit den Sch lerinnen und Sch lern auch aus philosophischer Sicht behandelt werden Die verschiedenen philosophischen Betrachtungsweisen k nnen zum Beispiel anhand von Originaltexte aus den einzelnen Ent wicklungsepochen erarbeiten werden vgl Kapitel 1 Die Versuche k nnen auch im Wahlbaustein Geschichte der Physik eingesetzt werden Die historische Entwicklung der einzelnen Lichttheorien wie sie in Kapitel 2 dargestellt wird bietet eine hervorragende M glichkeit den Sch lerinnen und Sch lern Wissenschaftshistorie n her zu bringen Es kann auch auf die kulturhistorische Bedeutung der Physik eingegangen werden Durch die Orientierung der Versuchsaufbauten an den historischen Experimenten Young J nsson l sst sich die geschichtliche Entwicklung der Experimentalphysik illustrie ren Ein m glicher Schwerpunkt kann die Behandlung der quantenphysikalischen Revolution darstellen Das Doppelspaltexperiment einmal mit und einmal ohne Ber cksichtigung der Quantentheorie kann wer
132. welche die Filter passieren und die Photokathode erreichen verursachen nur etwa 1 25 10 Photo nen pro 100 ms die Emission von Photoelektronen Die Photoelektronen haben eine geringe kinetische Energie Aufgrund der angelegten Hochspannung 10kV an der Anode Kathode geerdet werden die Elektronen stark in Richtung der Anode beschleunigt Zus tzlich werden sie noch fokussiert Die Elektronen treffen mit hoher kinetischer Energie am anderen Ende der Vakuumr hre auf einen Lumineszenzschirm Nach der Passage zweier Aluminiumschich ten welche R ckreflexionen in die Vakuumr hre verhindern sollen treffen die Elektronen auf einen Phosphorschirm und stimulieren dort Fluoreszenz Durch die Fluoreszenz werden in Abh ngigkeit von den ankommenden Elektronen Photonen emittiert Die Verteilung dieser Photonen entspricht exakt der Verteilung der einfallenden Photonen an der Photokathode Der Bildverst rker hat also keinerlei Einfluss auf die Anordnung und das sich ergebende Muster der Photonen Die eigentliche Bildverst rkung findet durch Verst rkung mittels Elekt ronen statt Es handelt sich folglich genau genommen um einen Elektronenverst rker Der eingebaute Verst rker ist ein Modell der zweiten Verst rkergeneration W hrend in Verst r kern der ersten Generation lediglich die Energie der Elektronen durch den Beschleunigungs vorgang erh ht wird wird bei der zweiten Generation zus tzlich die Zahl der Elektronen erh ht Dies geschieht in der M
133. ysikalische Kenntnisse im Bereich der Optik teilweise dank der bersetzungen der alten griechischen Schriften In einem um fangreichen Werk von Ibn Al Haitham genannt Alhazen 965 1039 n Chr finden sich erste exakte Beschreibungen ber den Bau und die Funktionsweise des menschlichen Auges Be handelt werden Lichteigenschaften wie Helligkeit Reflexion und Brechung bis hin zu opti schen T uschungen Er lehnt die Lehre der Sehstrahlen ab In seiner Theorie sendet jeder Punkt eines leuchtenden oder beleuchteten Gegenstands Lichtstrahlen nach allen Seiten aus Die Lichtstrahlen breiten sich geradlinig mit endlicher Geschwindigkeit aus In Alhazens Werk findet sich auch eine Beschreibung des Camera obscura Prinzips Im 13 Jhd baut der Franziskanerm nch Roger Bacon 1214 1294 die Camera obscura den Vorl ufer der Lochkamera Er benutzt diese zu Beobachtungen anl sslich einer Sonnenfins ternis Die Untersuchungen dieser Zeit behandeln h ufig Naturerscheinungen Aus dem Jahr 1575 ist ein gr eres optisches Werk von Franciscus Maurolycus 1494 1575 berliefert Sein Werk Photismi de lumine et umbra ber das Licht und den Schatten stellt eine Sammlung bis dahin gesicherter Kenntnisse auf dem Gebiet der Optik dar Die Quellen aus dem Mittelalter behandeln optische Ph nomene Abhandlungen ber das Wesen des Lichts wie sie bei den griechischen Philosophen noch zu finden sind sucht man dort vergebens 2 Theorien ber
134. zwei unterschiedlichen Darstellungsarten ausgew hlt werden Einerseits kann eine linear skalierte Darstellung gew hlt werden Dazu m ssen die gew nschten Gren zen der linearen Skalierung eingestellt werden entweder zwischen dem Intensit tsmini mum und dem Intensit tsmaximum MinMax bzw Max oder zwischen frei gew hlten Grenzen Range Der gew hlte Intensit tsbereich wird dann auf 256 Stufen linear skaliert und in der eingestellten Graustufen oder Farbskala dargestellt Pixel mit Intensit ten jen U16 und U32 sind 16 bzw 32 Bit Integer Dateien 70 In der Regel bei diesem Versuch meist Null 56 seits der gew hlten Grenzen werden in der jeweiligen Farbe dargestellt die das eingestellte Spektrum nach oben bzw unten hin abschlie t Alternativ dazu kann die Bit Ebenen Darstellung Slice gew hlt werden Die Bildinformatio nen werden von der Kamera intern in verschiedenen Bit Ebenen abgespeichert Dieses Ebe nen werden schichtweise zusammengesetzt so dass ein dreidimensionales Intensit tsprofil entsteht Die x und y Koordinaten enthalten dabei die Ortsinformation die z Koordinaten geben die Intensit tswerte an Bei der Slice Darstellung wird dieses 3D Profil horizontal ge schnitten das hei t eine dieser Ebenen wird ausgew hlt Der Slice Wert gibt dabei die Num mer der ausgew hlten Bit Ebene an Ausgehend von dieser Ebene werden die n chsten sieben dar ber liegenden Ebenen gemeinsam dargeste

schulexperimente zum dualismus des lichts

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