Taylor-Experiment (Physik)
Quantenphysik
Basiswissen
Die Kernaussage des Doppelspaltversuches ist: Elektronen oder Lichtteilchen (Photonen) ergeben grundsätzlich andere Ergebnisse als Versuche mit echten Kugeln. Der Effekt hängt nicht von der Intensität der Lichtquelle ab.
Versuch
- Der Versuch wurde durchgeführt von G. I. Taylor in England.
- Er wurde veröffentlicht im Jahr 1909: Interference fringes with feeble light
- Als Lichtquelle diente eine Kerze oder Gaslampe.
- Sie stand vor einem größeren Kasten.
- An einer Kastenwand war ein horizontaler Schlitz.
- Hinter dem Schlitz verlief im Kasten eine horizontale Nadel.
- Schlitz und Kasten bildeten sozusagen einen Doppelspalt.
- Im Kasteninneren auf der Seite gegenüber dem Schlitz war eine Photoplatte.
- Licht auf diese Photoplatte hinterließ dauerhaft fixierte Verfärbungen.
- Egal wie stark oder schwach das Licht war:
- es ergaben sich immer die typischen Interferenzmuster.
Die Fragestellung von Taylors Experiment
- Man kann den Doppelspalt mit echten Teilchen durchführen.
- Denkbar sind zum Beispiel Gewehrkugeln oder Farbteilchen aus einer Spraydose.
- In diesem Fall ergibt sich kein Interfernzmuster.
- Mit Elektronen oder Photonen aber entsteht Interferenz.
- Die Frage war: kann man Intereferenz aus dem Teilchenmodell herleiten?
- Ein Aspekt dabei war: kann die Anzahl der Teilchen eine Rolle spielen?
- Können die Teilchen sich gegenseitig so beeinflussen, dass Interferenz entsteht?[1]
ZITAT:
Sir J. J. Thomson schlug vor, dass man die Intensität des Lichts bei einem Beugungsmuster so stark verringere, dass nur wenige dieser unteilbaren Einheiten Energie gleichzeitig in einem Huygens-Bereich erscheinen [Intensitäts-Maxima?] und dass das Phänomen der Beugung sich verändere.[3]
Sir J. J. Thomson schlug vor, dass man die Intensität des Lichts bei einem Beugungsmuster so stark verringere, dass nur wenige dieser unteilbaren Einheiten Energie gleichzeitig in einem Huygens-Bereich erscheinen [Intensitäts-Maxima?] und dass das Phänomen der Beugung sich verändere.[3]
- Um das zu überprüfen, kann man die Anzahl der Teilchen drastisch verringern:
- In einer bestimmten Zeit fliegen dann sehr wenige Teilchen durch den Doppelspalt.
- Würde das das Intereferenzmuster verändern oder sogar verschwinden lassen?
- Das war die Fragestellung des Taylor-Versuches.
- Die Antwort war: nein, das Intereferenzmuster bleibt.
Lichtschwächung
- Taylor verwendete als Lichtquelle Kerzen oder Gasflammen.
- Zur Verminderung der Lichtintensität verwendete er verdunkeltes Glas.
- Die Glasplatten wurden zwischen Lichtquelle und Doppelspalt platziert.
- Ohne Glasplatten entstand das Interferenzmuster nach weniigen Sekunden.
- Bei extremer Lichtschwächung wurde die Platte über 3 Monate belichtet.
- Es entstand aber immer ein gleich scharfes und klares Interferenzmuster.
Fazit zu Taylors Experiment von 1909
Der Versuch legt nahe, dass die Intereferenz kein Effekt einer Wechselwirkung vieler verschiedener Teilchen untereinander ist. Die von J. J. Thomson vermutete Veränderung des Beugungsmusters bei star reduzierter Lichtintensität trat nicht auf.
Zur Zeit von Taylor gab es jedoch keine Lichtquellen, die zuverlässig nur einzelne Photonen aussenden konnten. Tatsächlich senden die meisten Lichtquellen immer Bündel von wenigen Photonen gemeisam aus. Man nennt den Effekt heute Bunching. Auch gab es damals noch keine Detektoren für einzelne Photonen[4].
Taylor konnte also nicht sicher ausschließen, dass nicht doch einige Photonen zusammenwirken und den Beugungseffekt ergeben. Aber spätere Versuche mit tatsächlich individuellen Photonen[5] oder sogar Elektronen[6][7] haben Thomsons und Taylors Vermutungen dann bestätigt. Man weiß heute: der Effekt tritt auch auf, wenn jedes Teilchen für sich alleine von der Lichtquelle zur Photoplatte fliegt.
Fußnoten
- [1] Taylor erwähnt am Anfang seiner Veröffentlichung, dass sein Experiment die Theorie von J. J. Thomson über Licht überprüfen soll. Taylor nennt als Bezug dazu: J. J. Thomson Ver “On the ionization of Gases by Ultra-Violet Light and on the evidence as to the structure of light afforded by its Electrical Effects”, Proc. Comb. Phil. Soc., xiv (1907), 417–424.
- [2] G. I. Taylor: Interference Fringes with Feeble Light. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 15, 114-115. Online: http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_literature/Taylor1909.pdf
- [3] In G. I. Taylors Original aus dem Jahr 1909 heißt es: "Sir J. J. Thomson however suggested that if the intensity of light in a diffraction pattern were so greatly reduced that only a few of these indivisible units of energy should occur on a Huygens zone at once the ordinary phenomena of diffraction would be modified."
- [4] Bill J. Luo, Leia Francis, Valeria Rodríguez-Fajardo, and Enrique J. Galvez: Young’s Double-Slit Interference Demonstration with Single Photons. In: arXiv:2401.02351v1 [quant-ph] 04 Jan 2024. Online: https://arxiv.org/html/2401.02351v1/#bib.bib1
- [5] Heute gibt es Geräte zum Messen einzelner Photonen. Siehe dazu Photomultiplier ↗
- [6] Im Jahr 1989 führte der Japaner A. Tonomura ein Doppelspaltexperiment durch, bei dem sich niemals mehr als ein Elektron in der "Versuchsanordnung" befand. In der "Nachweisebene" registrierte man "nie gleichzeitig, sondern immer nur nacheinander" auftreffende Elektronen. Die "Auftrefforte scheinen zunächst regellos verteilt zu sein". Erst die Summe vieler nacheinander eintreffender Elektronen ergab am Ende das Interferenzmuster. onomura, A., Endo, J., Matsuda, T., Kawasaki, T. and Ezawa, H. (1989) Demonstration of Single-Electron Buildup of an Interference Pattern. American Journal of Physics, 57, 117-120.
- [7] Metzler Physik. 5. Auflage. 592 Seiten. Westermann Verlag. 2022. ISBN: 978-3-14-100100-6. Dort der Abschnitt "Interferenz nacheinander registrierter Elektronen" auf Seite 399. Dort wird unter andere das Experiment von Tonomura von 1989 besprochen.