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Doppelspaltexperiment mit Neutronen


Physik


Basiswissen


Neutronen sind Teilchen mit einem bekannten Durchmesser[1] und einer bekannten Masse[2]. Führt man ein Doppelspaltexperiment durch, bei dem die Spaltbreite etwa 0,1 Millimeter sind die Neutronen ausreichend langsam, sodass ihr Impuls und damit ihre de-Broglie-Wellenlänge nicht zu groß sind, dann kann man auch mit Neutronen die klassischen Interferenzen beobachten[3]. Interferenzen gelten als Hinweis auf die Welleneigenschaft von Objekten. Damit zeigen Neutronen einerseits Teilchencharakter (Ausdehnung, Masse) aber auch Welleneigenschaften (vor allem Interferenz).

Randbedingungen für die Interferenz mit Neutronen


Neutronen zeigen Intereferenz, wenn in einem Doppelspaltexperiment ist der Abstand zwischen den Spalten von der Grössenordnung 0.1 mm. Damit man Interferenzen beobachten kann, sollte dieser Abstand höchstens etwa 100 tausend mal so groß sein wie die Wellenlänge λ der Neutronenstrahlung. Die Wellenlänge der Neutronenstrahlung hängt unter anderem von deren Impuls und damit auch von ihrer Geschwindigkeit ab. Die Wellenlänge darf also höchstens 10 hoch -9 Meter betragen. Der Impuls p ist definiert über die Formel p=m·v. Über die Formel von de-Broglie hängt der Impuls mit der Wellenlänge zusammen: λ = h/p. Das kleine h ist die Planck-Konstante. Damit kommt man auf eine Geschwindigkeit der Neutronen von 400 m/s. In der Praxis werden oft Neutronen mit 200 m/s verwendet. Der Schlüssel, um vom Teilchenbild des Neutrons rechnerisch in die Wellenvorstellung wechseln zu können ist die sogenannten de-Broglie-Wellenlänge ↗

Die Neutronen-Intereferenz als Beleg für einen Wellen-Teilchen-Dualismus


Neutronen tragen typische Eigenschaften klassisch gedachter Teilchen: sie haben eine Größe[1] und eine Masse[2]. Man kann ihnen einen Ort und eine Geschwindigkeit und damit auch einen Impuls zuordnen. Man kann mit Neutronen also physikalisch so rechnen, wie es der Newtonschen Mechanik, das heißt der klassischen Physik, entspricht. Eine (von mehreren) Ausnahmen ist jedoch das Doppelspaltexperiment mit Neutronen. Das Interferenzmuster stellt sich ein, wenn man tausende von Neutronen durch den Doppelspalt geschickt hat. Das Interferenzmuster ist ein statistischer Effekt von vielen Neutronen. Wie das Interferenzmuster aussieht, kann man aber mit der klassichen newtonschen Mechanik überhaupt nicht berechnen. Sehr gut berechne n kann man es unter der Annahme, dass Wellen durch den Doppelspalt gehen. Verwendet man die Formeln von einem Doppelspaltexperiment mit Wasserwellen und passt man dies Formeln auf kleinere Wellenlängen an, so kann man damit genau das Interferenzmuster vorausberechnen. Das ist gemeint, wenn man sagt, dass die Neutronen auch Welleneigenschaften haben. Nicht ein einzelnes Neutron ist eine Welle, aber statistisch große Anzahlen von Neutronen verhalten sich so, dass die Wahrscheinlichkeiten ihrer Aufschlagorte bei einem Detektor mit Wellengleichungen modelliert werden können. Diese Doppelsicht auf Objekte wie Neutronen bezeichnet man auch als Welle-Teilchen-Dualismus ↗

Fußnoten