Gilt dies auch in der Mikrowelt?

Transkript

1 Determinismus F F v m Raum Zeit Kurve r(t) Gilt dies auch in der Mikrowelt?

2 Elektron Als erstes Elementar Teilchen entdeckt von J.J. Thomson 1897: Ruhemasse m0= kg Elementarladung e = C

3 Atom der Ordnungszahl Z Kern Z+ Elektronenhülle Z

4 Metall Kristall 0.2nm

5 +

6 Austritts Arbeit

7 Austritts Arbeit

8 Austritts Arbeit

9 T, E Kathode Anode Ua + Elektronenstrahl Ekin = e Ua

10 Fokussierung eines Elektronenstrahls Quelle Linse Objekt

11 Ablenkung eines Elektronenstrahls Quelle Linse Objekt + Ablenker

12 Eigenschaften des Elektronenstrahls Trägheitslose Ablenkbarkeit Feinste Fokussierbarkeit Höchste Energiedichte Elektronenstrahl cm Watt/cm2 109 Lichtbogen Schweißbrenner

13 Elektronenstrahl Bohren und Fräsen +

14 Bohrungsdurchmesser 4/1000 mm

15 Elektronenstrahl Schweißen + A B

16 Elektronenstrahl Schweißen + A B

17 Komplizierte Schweissnähte: Gasgenerator für Airbag Photo: Messer Griesheim

18 Electron Beam Lithography + resist silicon mm

19 ENIAC 1944 Electronic Numeric Integrator and Calculator

20 Höchstintegration 10mm, 106 Komp...heute: Strukturbreiten < 1/10,000mm

21 Elektronen sind Teilchen! Masse m Ladung e kinetische Energie e Ua lokalisierbar elektromagn. Kräfte Bahnen Newton Mechanik

22 Ionenimpuls

23 Ionenimpuls

24 Ionenimpuls

25 Ionenimpuls

26 Ionenimpuls

27 Ionenimpuls

28 Ionenimpuls

29 Materiewellen h h λ= = p mv Wellenlänge Impuls Wer sich über die Quantenmechanik nicht wundert, der hat sie nicht verstanden! Louis Victor Pierre Raymond Prince de Broglie,

30 Teilchen und Wellen F m v Bahn: lokalisierbar F Raum Zeit Kurve r(t)???? Welle: nicht lokalisierbar Beugung Interferenz λ=h/ mv

31 Teilchen am Spalt

32 Welle am Spalt??????

33 Welle am Spalt falsch!

34 Wellen: Beugung am Spalt α richtig!

35 Wellen: Beugung am Spalt α

36 Wellen : Beugung am Spalt α

37 Wellen und Teilchen: Beugung am Spalt α

38 Teilchen: Beugung am Spalt α p

39 Teilchen: Beugung am Spalt α q p

40 Werner Heisenberg

41 Heisenberg sche Unschärfe für QM Teilchen q p h Ort Impuls

42 Electron Diffraction Experiment from: Jönsson, Z. f. Physik 161 (1961), Möllenstedt, Physica B 151 (1988)

43 Beugung am Spalt

44 Beugung am Spalt

45 Beugung am Doppelspalt: Zweistrahl Interferenz

46 Electron Double Slit Diffraction from: Jönsson, Z. f. Physik 161 (1961), Möllenstedt, Physica B 151 (1988)

47 Fresnel biprism for light source α biprism β detector 1/qc interference pattern I(x)=2I 0(1+cos (2πqcx)) with spatial frequency q :=β/λ

48 Möllenstedt electron biprism electron source biprism α + β detector 1/qc interference pattern I(x)=2I 0(1+cos (2πqcx)) with spatial frequency q :=β/λ ; β~u

49 Quantum Noise time of flight 1µs << time between impacts 1ms single electron interference

50 Elektronenwellen = Wahrscheinlichkeitswellen

51 de Broglie Letter to Möllenstedt Paris, 19 June 1956 Monsieur and dear Colleague, I was extremely pleased to receive your kind letter and to learn of your beautiful experiments in which you have obtained electron interference by a method analogous to Fresnel's biprism. It was, of course, a great pleasure to see that you have obtained a new and particularly brilliant proof of the formula l = h/(mv), and I shall not fail to make known your experiments to my students. Thanking you most gratefully for your communication, I beg you to accept, Monsieur and dear colleague, the expression of my devoted sentiments, Louis de Broglie

52 Surely, you are joking Mr. Feynman We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible to explain in any classical way. In reality, it contains the only mystery. We cannot make the mystery go away by explaining how it works. We will just tell you how it works. We should say right away that you should not try to set up this experiment. This experiment has never been done before. The trouble is that the apparatus would have to be made on an impossibly small scale... We are doing a thought experiment. (The Feynman Lectures on Physics)

53 Which Way?

54 Which Way?

55 Schwebungen beat flinks = frechts

56 Schwebungen beat flinks frechts f

57 Which Way?

58 Which Way? Edet

59 Which Way? Edet f = h f

60 entweder oder... Elektronen sind Wellen Elektronen, die interferieren, sind nicht unterscheidbar Elektronen, die unterscheidbar sind, zeigen keine Interferenzerscheinung Elektronen sind Teilchen

61 Größe von QM Teilchen

62 C60 Interference Anton Zeilinger, Wien

63 C60 Interference Anton Zeilinger, Wien

64 C60 Interference Anton Zeilinger, Wien

65 Zeiss Lightmicroscopes Robert Koch's Microscope (1880) Lightmicroscope ( 1960)

66 Abbe limit of microscopy λ Objects < λ/2 do not affect the wave resolution > λ /2

67 Elektronenwellenlänge h h λ= = p mv = 10 Lichtwellenlänge 5

68 BRITE/EURAM CM30FEG/UT Special Tübingen B=3 108A/cm2sr Cs=0.63mm Cc=1.4mm A3 Corrector Total Mag 4 Mio 2k*2k CCD camera PointRes=0.163nm InfoLimit=0.09nm HolRes 0.12nm

69 100 mm = 10 1 m = 0.1 m Digital Camera

70 1 mm = 10 3 m = m Light Microscope Indicated Magnification: 1.6x

71 100 µm = 10 4 m = m Light Microscope Indicated Magnification: 5x

72 100 µm = 10 4 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: 44x

73 10 µm = 10 5 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: 130x

74 1 µm = 10 6 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: 2000x

75 100 nm = 10 7 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: 30000x

76 10 nm = 10 8 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x

77 10 nm = 10 8 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x

78 1 nm = 10 9 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x

79 1 nm = 10 9 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x

80 1 nm = 10 9 m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x

81 100 pm = m = m Electron Microscope Indicated Magnification: x (digitally zoomed)

82 0.1 nm

83 0.1 nm

84 Demokritos von Abdera vor Christus Atome und leerer Raum

85 Materiewellen h h λ= = p mv Wellenlänge Impuls Wer sich über die Quantenmechanik nicht wundert, der hat sie nicht verstanden! Louis Victor Pierre Raymond Prince de Broglie,