Wir haben gesehen, daß sich Licht als Welle ausbreitet und bei Wechselwirkung mit Materie als Hagel von Lichtquanten (γ-Teilchen) in Erscheinung tritt. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist noch einmal in Tabelle36.1 zusammengestellt: 1924 dehnte der französische Physiker Louis de Broglie die am Verhalten des Lichtes entwickelte Idee des Dualismus auf sämtliche physikalischen Objekte aus. Wir erläutern die damals sehr kühne Verallgemeinerung am Beispiel eines frei fliegenden Elektronenschwarms.
Wir haben gesehen, daß sich Licht als Welle ausbreitet und bei Wechselwirkung mit Materie als Hagel von Lichtquanten (γ-Teilchen) in Erscheinung tritt. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist noch einmal in Tabelle36.1 zusammengestellt: 1924 dehnte der französische Physiker Louis de Broglie die am Verhalten des Lichtes entwickelte Idee des Dualismus auf sämtliche physikalischen Objekte aus. Wir erläutern die damals sehr kühne Verallgemeinerung am Beispiel eines frei fliegenden Elektronenschwarms.
Das grundlegende Verständnis von Licht einerseits und massebehafteten Teilchen andererseits beruht auf dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser Dualismus besagt, daß auf der einen Seite das Licht, das dem Kenner der klassischen Physik nur in der Form einer elektromagnetischen Welle begegnet, je nach den äußeren Beobachtungsbedingungen auch wie ein örtlich konzentriertes Teilchen erscheinen kann, und umgekehrt, daß ein korpuskulares, massebehaftetes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt, die aber nur bei geeigneten Versuchsbedingungen in Erscheinung treten. Die historisch wichtigsten experimentellen Nachweise zu diesem Phänomen haben wir in Kapitel 1 dargelegt. Es zeigt sich, daß diese Eigenschaften keine sich widersprechende Erscheinungsformen von Licht bzw. Teilchen sind, sondern daß man sie als zwei sich ergänzende Charakteristika verstehen muß in dem Sinne, daß bei Auftreten der Teilcheneigenschaften die Beschreibung als Welle keinen physikalischen Sinn ergibt und umgekehrt, daß im Fall des Nachweises der Welleneigenschaft das Korpuskelbild zu Widersprüchen führt.
Aus den bisherigen Ausführungen folgte, daß das Licht und allgemein alle elektromagnetischen Wellen einen Energiestrom darstellen, bei dem unter gewissen Bedingungen Doppelcharakter (Dualismus) in Erscheinung tritt. So zeigen sich deutlich Welleneigenschaften bei der Ausbreitung in den Gebieten des Wellenfeldes, in denen die Wellen auf ein Hindernis (Spalt, Gitter u. a.) der Größenordnung der Wellenlänge treffen. Jedoch sind eindeutig Teilcheneigenschaften bei Wechselwirkung der Strahlung (Fotoeffekt, Absorption und Emission von Strahlung usw.) mit anderen Teilchen (Korpuskeln) vorhanden, deren Größenordnung im atomaren Bereich liegen (Atome, Moleküle, Elementarteilchen).
Einige Experimente besagen, daß das Elektron sehr ausgedehnt ist. Andere Experimente zeigen, daß das Elektron extrem klein ist. Ahnliches trifft für Lichtquanten, Protonen, Neutronen oder auch Mesonen zu. Alle mikroskopischen Objekte scheinen eine Doppelnatur aufzuweisen, wobei sich ihre Ausdehnung in Form von Wellen und ihre Lokalisierung in Form von Teilchen bemerkbar macht. Was bedeutet dies? In bezug auf diesen Punkt wurde zwischen den Begründern der modernen Physik keine Übereinstimmung erzielt und man weigerte sich einfach, diese Frage zu stellen. Die Zeiten haben sich geändert — und zu Beginn diskutieren wir hier sechs verschiedene Deutungen des Dualismus Teilchen-Welle zusammen mit einigen neueren experimentellen Ergebnissen.
Der Welle-Teilchen-Dualismus ist kein Naturgesetz – er ist ein didaktisches Artefakt. Das semiklassische Modell (klassisches elektromagnetisches Feld, quantisierte Materie) ist für die gesamte Elektrotechnik-Ausbildung nicht nur ausreichend, sondern physikalisch präziser als die übliche Dualismus-Darstellung. Das Paper beschäftigt sich ausschließlich mit masselosen Quantenobjekten – elektromagnetischer Strahlung und deren Wechselwirkung mit Materie. Drei experimentelle Belege bilden das Fundament: Fowler (1931) zeigte, dass die Grenzfrequenz des Photoeffekts bei T > 0 K ausschmiert – die Diskretheit sitzt in der Fermi-Dirac-Statistik der Materie, nicht im Lichtfeld. H. Hübel (1987) demonstrierte diesen Zusammenhang im Schulversuch. Klaus H. Herrmann (1994) lieferte den vollständigen festkörperphysikalischen Rahmen: Der äußere Photoeffekt ist ein Drei-Stufen-Prozess aus Eindringtiefe der Strahlung, Austrittstiefe der Elektronen und Austrittsarbeit – an keiner Stelle braucht man ein Lichtteilchen. Ein einfaches Kamera-Doppelspalt-Experiment (150 Euro, Küchentisch) illustriert die drei Phasen sauber getrennt: Emission als quantisierter Materievorgang, Propagation als klassische Maxwell-Welle, Detektion durch die Bandstruktur des Silizium-Sensors. Die Grenze des Modells liegt bei Intensitätskorrelationen zweiter Ordnung – weit jenseits aller elektrotechnischen Anwendungen. Licht ist die Sprache der Elektronen. Die Diskretheit bei der Wechselwirkung kommt nicht aus dem Feld – sie kommt aus der Materie.
Daß das Licht als elektromagnetische Welle zu verstehen ist, galt als eine der wichtigsten physikalischen Erkenntnisse des vorigen Jahrhunderts: Eine im Vakuum mit konstanter Geschwindigkeit c = 3 · 108m/s fortschreitende, transversale Welle, deren Amplitude durch die periodisch variierenden Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes dargestellt wird. Die Maxwellsche Theorie lieferte letztlich die Krönung für dieses Bild (1873). Von der Optik her bekannte Erscheinungen wie Beugung, Interferenz und Brechung sind charakteristisch für die Wellennatur des Lichts.
Der naturwissenschaftliche Laie kann sich vielleicht nur schwer vorstellen, wie sehr die Idee einer unstetigen Bewegung der Materie Physikern gegen den Strich geht, die Kontinuität suchen. Bereits Einstein verband die Diskontinuität in der Bewegung des Lichts mit einem mechanistischen Bild. Licht bestand aus Kügelchen. Doch dann kam Bohr mit seinem gequantelt springenden Elektron im Inneren des winzigen Atoms. Dieses Bild irritierte die Anhänger einer Stetigkeit in der Natur, da es ihr Verständnis überstieg, wie ein Teilchen sich so verhalten konnte. Als de Broglie und Schrödinger mit ihrer Wellendeutung auf den Plan traten, ging ein Seufzer der Erleichterung durch das Lager der Kontinuitätsanhänger.