Determinismus F F v m Raum Zeit Kurve r(t) Gilt dies auch in der Mikrowelt?
Elektron Als erstes Elementar Teilchen entdeckt von J.J. Thomson 1897: Ruhemasse m0= 9.1094 10 31kg Elementarladung e = 1.6022 10 19C
Atom der Ordnungszahl Z Kern Z+ Elektronenhülle Z
Metall Kristall 0.2nm
+
Austritts Arbeit
Austritts Arbeit
Austritts Arbeit
T, E Kathode Anode Ua + Elektronenstrahl Ekin = e Ua
Fokussierung eines Elektronenstrahls Quelle Linse Objekt
Ablenkung eines Elektronenstrahls Quelle Linse Objekt + Ablenker
Eigenschaften des Elektronenstrahls Trägheitslose Ablenkbarkeit Feinste Fokussierbarkeit Höchste Energiedichte Elektronenstrahl cm2 10 7 Watt/cm2 109 Lichtbogen Schweißbrenner 10 3 10 2 105 104
Elektronenstrahl Bohren und Fräsen +
Bohrungsdurchmesser 4/1000 mm
Elektronenstrahl Schweißen + A B
Elektronenstrahl Schweißen + A B
Komplizierte Schweissnähte: Gasgenerator für Airbag Photo: Messer Griesheim
Electron Beam Lithography + resist silicon 0.0001 mm
ENIAC 1944 Electronic Numeric Integrator and Calculator
Höchstintegration 10mm, 106 Komp...heute: Strukturbreiten < 1/10,000mm
Elektronen sind Teilchen! Masse m Ladung e kinetische Energie e Ua lokalisierbar elektromagn. Kräfte Bahnen Newton Mechanik
Ionenimpuls
Ionenimpuls
Ionenimpuls
Ionenimpuls
Ionenimpuls
Ionenimpuls
Ionenimpuls
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, 1892 1987
Teilchen und Wellen F m v Bahn: lokalisierbar F Raum Zeit Kurve r(t)???? Welle: nicht lokalisierbar Beugung Interferenz λ=h/ mv
Teilchen am Spalt
Welle am Spalt??????
Welle am Spalt falsch!
Wellen: Beugung am Spalt α richtig!
Wellen: Beugung am Spalt α
Wellen : Beugung am Spalt α
Wellen und Teilchen: Beugung am Spalt α
Teilchen: Beugung am Spalt α p
Teilchen: Beugung am Spalt α q p
Werner Heisenberg
Heisenberg sche Unschärfe für QM Teilchen q p h Ort Impuls
Electron Diffraction Experiment from: Jönsson, Z. f. Physik 161 (1961), 454 474 Möllenstedt, Physica B 151 (1988) 201 205
Beugung am Spalt
Beugung am Spalt
Beugung am Doppelspalt: Zweistrahl Interferenz
Electron Double Slit Diffraction from: Jönsson, Z. f. Physik 161 (1961), 454 474 Möllenstedt, Physica B 151 (1988) 201 205
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
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
Quantum Noise time of flight 1µs << time between impacts 1ms single electron interference
Elektronenwellen = Wahrscheinlichkeitswellen
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
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)
Which Way?
Which Way?
Schwebungen beat flinks = frechts
Schwebungen beat flinks frechts f
Which Way?
Which Way? Edet
Which Way? Edet f = h f
entweder oder... Elektronen sind Wellen Elektronen, die interferieren, sind nicht unterscheidbar Elektronen, die unterscheidbar sind, zeigen keine Interferenzerscheinung Elektronen sind Teilchen
Größe von QM Teilchen
C60 Interference Anton Zeilinger, Wien
C60 Interference Anton Zeilinger, Wien
C60 Interference Anton Zeilinger, Wien
Zeiss Lightmicroscopes Robert Koch's Microscope (1880) Lightmicroscope ( 1960)
Abbe limit of microscopy λ Objects < λ/2 do not affect the wave resolution > λ /2
Elektronenwellenlänge h h λ= = p mv = 10 Lichtwellenlänge 5
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
100 mm = 10 1 m = 0.1 m Digital Camera
1 mm = 10 3 m = 0.001 m Light Microscope Indicated Magnification: 1.6x
100 µm = 10 4 m = 0.0001 m Light Microscope Indicated Magnification: 5x
100 µm = 10 4 m = 0.0001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 44x
10 µm = 10 5 m = 0.00001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 130x
1 µm = 10 6 m = 0.000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 2000x
100 nm = 10 7 m = 0.0000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 30000x
10 nm = 10 8 m = 0.00000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 220000x
10 nm = 10 8 m = 0.00000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 520000x
1 nm = 10 9 m = 0.000000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 690000x
1 nm = 10 9 m = 0.000000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 1200000x
1 nm = 10 9 m = 0.000000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 1650000x
100 pm = 10 10 m = 0.0000000001 m Electron Microscope Indicated Magnification: 1650000x (digitally zoomed)
0.1 nm
0.1 nm
Demokritos von Abdera 460 371 vor Christus Atome und leerer Raum
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, 1892 1987