Klassische Physik - Quantenpysik

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1 Klassische Physik - Quantenpysik Elektronenfalle aus 40 Eisen- Atomen auf einer Kupfer Oberfläche Klassische Physik um 1900 Teilchen und Wellen Rastertunnelmikroskop Wechselwirkungsfreie Messung Wie ist es möglich ein Objekt in absoluter Dunkelheit zu entdecken, ohne es auch nu einem einzigen Lichtquant auszusetzen? Quanten-Teleportation Quanten-Kryptographie Atome und Kerne PWI II/1

2 Klassische Physik Wechselwirkungen Gravitation Eletromagnetische Wechselwirkung Beobachtungsgrößen Teilchen Masse, Impuls, Ort,... erfüllen Newton sche Gleichungen Fragestellungen Teilchenbahnen, Wie reagieren Teilchen auf Zusammenstösse Wellen Wellenlänge, Amplitude, Phasengeschwindigkeit,... erfüllen Wellengleichungen Fragestellungen Ausbreitung in Medien, Beugung PWI II/2

3 Gravitation Experimentelle Bestimmung der Gravitationskonstante Cavendish, 1798 F G m 1 m 2 = r r r 2 PWI II/3

4 Entdeckung des Elektrons Kathodenstrahlröhre Kraft auf ein Elektron im elektrischen Feld F = qe im Magnetfeld F = q( v B ) Magnetisches Feld eines Kreisstromes µ B 0 I = n 2r B I Thomson, 1897 PWI II/4

5 Was sind Kathodenstrahlen? Die drei Experimente von Thomson Kathodenstrahlen transportieren negative Ladung. Thomons versuchte durch Ablenken der Ladung im Magnetfeld Ladungen und Strahl voneinander zu trennen. Der Versuch scheitert. Hertz zeigte, dass der Kathodenstrahl im elektrischen Feld nicht abgelenkt wird. (Ionisation des Restgases reduzierte das E-Feld). Thomson wiederholt den Versuch mit besserem Vakuum. PWI II/5

6 Im seinem 3. Experiment bestimmt Thomson das Verhältnis aus Ladung/Masse eines Elektrons: 1. Messung der Ablenkung des Kathodenstrahles in einem elektrischen Feld ergibt eine Gleichung für e/m, die noch die Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen enthält 2. Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit durch Kompensation der Ablenkung im elektrischen Feld mit einem Magnetfeld PWI II/6

7 Bestimmung des Verhältnisse von e/m x θ y θ l L Ablenkung im E-Feld p = y p x Definition der Kraft: p y = F y t t = l -----, θ v x = ee t = mv x Ablenkung am Schirm y = Lθ = eell mv2 x eel mv2 x Geschwindigkeit v x? 1 mit: --mv 2 = ev 2 Beschleunigungsspannung fällt aus e/m heraus bestimme v x mit B-Feld Gesamtablenkung ist null, wenn ee = ev x B, v x = E/B e ---- m = Ey B 2 ll PWI II/7

8 Bestimmung der Elektronenladung Geladener Öltropfen zwischen Kondensatorplatten v Ohne E-Feld 6πηrv Reibungskraft mg Gravitation Masse m aus Messung der Geschwindigkeit v Mit E-Feld Millikan, 1909 v mg qe 6πηrv Ladung q aus Messung von v q = ne n = 0, 1, 2,... PWI II/8

9 Elektron der klassischen Physik Teilchen mit Masse Ladung m = x kg q = e = x C PWI II/9

10 Beispiele für klassische Wellenphänomene Beugung von Wasserwellen W λ λ/w kleiner λ/w größer PWI II/10

11 Beugung von Licht Thomas Young, 1801 ohne Beugung mit Beugung Licht wird gebeugt beim Durchgang durch einen Spalt gebeugt Licht ist eine Welle PWI II/11

12 Beugung am Einzelspalt Mittelpunkt des ersten Maximums Intensität Destruktive Interferenz für einen Gangunterschied von λ/2: z.b für die Strahlen: 1+3, 2+4 jeder Strahl aus der oberen Häflte löscht genau einen Strahl aus der unteren Hälfte aus Minima: sinθ = n λ W PWI II/12

13 Interferenz Anwendung: Datenspeicherung auf CD Spiralbahn 1. Maximum Zentrales Maximum 1. Maximum Spur- Kontrolle Laser Beugungsgitter Pit Land Laser Desktruktive Interferenz, falls Strahl an der Grenze Pit/Land reflektiert wird Wechsel von Hell/Dunkel ist ein 1 PWI II/13

14 Doppelspaltexperiment mit Kugeln Häufigkeitsverteilung der Kugeln am Schirm links offen rechts offen beide offen PWI II/14

15 Teilchen und Welle schwache Lichtquelle jeweils nur ein Photon im Versuchsaufbau Das Interferenzmuster wird von einzeln registrierten Photonen aufgebaut blau: 1-9 Photonentreffer rot: gelb: 100 und mehr PWI II/15

16 Tunneleffekt ein Teilchen kann mit endlicher Wahrscheinlichkeit eine Potentialbarriere überwinden Rastertunnelmikroskop PWI II/16

17 Manipulation von einzelnen Atomen Eisen auf Kupfer, zwischen den Fe Atomen ist ψ ² der Oberflächenelektronen sichtbar. (vergleiche particle in box) PWI II/17