Der Doppelspalt-Versuch, insbesondere der mit einzelnen Elektronen, ist ein Schlüsselexperiment der Quantenmechanik. Er zeigt den Welle-Teilchen-Dualismus der Natur und führte zur Postulierung des Bohrschen Komplementaritäts-Prinzips. Dieses Ausschließlichkeitsprinzip wurde in jüngster Zeit in Frage gestellt. Physiker in Europa und den USA haben nun gezeigt, dass die Ausschließlichkeit von Welle und Teilchen auch für strukturlose Objekte, wie freie Elektronen, nicht gilt.
Der Doppelspalt-Versuch, insbesondere der mit einzelnen Elektronen, ist ein Schlüsselexperiment der Quantenmechanik. Er zeigt den Welle-Teilchen-Dualismus der Natur und führte zur Postulierung des Bohrschen Komplementaritäts-Prinzips. Dieses Ausschließlichkeitsprinzip wurde in jüngster Zeit in Frage gestellt. Physiker in Europa und den USA haben nun gezeigt, dass die Ausschließlichkeit von Welle und Teilchen auch für strukturlose Objekte, wie freie Elektronen, nicht gilt.
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 Drehimpuls hat in der Physik die gleiche fundamentale Bedeutung wie der lineare Impuls und die Energie. Ebenso wie jene Größen ist er bereits in der klassischen Mechanik durch einen Erhaltungssatz ausgezeichnet, und zwar dann, wenn das entsprechende physikalische Problem rotationssymmetrisch ist. Für den atomaren Bereich gilt das gleiche. Jedoch müssen wir den Drehimpuls mit quantenmechanischen Methoden behandeln. Wir unterscheiden hierbei zwischen dem Bahndrehimpuls, der die Bahnbewegung eines Teilchens um eine feste Achse beschreibt, und einem inneren Drehimpuls, den viele Teilchen besitzen und den man Spin nennt. Der Spin eines Teilchens läßt sich von der Vorstellung her als eine Art Eigenrotation des Teilchens deuten. Es ist jedoch nicht möglich, ihn mit klassischen Methoden zu beschreiben, wie etwa die Eigenrotation der Erde. Im Rahmen der nichtrelativistischen Quantenmechanik muß er zusätzlich eingeführt werden, wie in den nachfolgenden Abschnitten gezeigt wird. Erst in der relativistischen Quantenmechanik folgt er zwanglos aus deren Formalismus. Wir werden in Kap.5 sehen, daß der Spin des Elektrons für die Erklärung einer ganzen Reihe von Erscheinungen beim Wasserstoffatom eine entscheidende Roll spielt. Dasselbe gilt für die Mehrelektronenatome in Kap. 6.
Von Lothar von Straufl und Torneu, Jena II.Der durch die Quantenmechanik veranderte Standpunkt *)In den letzten Jahrzehnten des 19.Jahrhunderts trat mit der Entdeckung der neuen Strahlenarten, Kathoden-und Rontgen-Strahlen, und des Elektrons wie auch der Radioaktivitat eine groRe Menge empirischen Materials in die Physik ein, dessen Einordnung in die Theorie in vollem MaRe erst durch die Quantentheorie ermoglicht wurde.Der Blitz, der diese Situation zum ersten Ma1 erleuchtete, war Plancks Entdeckung des Gesetzes der Hohlraumstrahlung, das den neuartigen und zunachst wenig verstandenen Begriff der Quanten in die Physik einfuhrte.Des weiteren ist die Atomtheorie Rutherfords zu erwahnen sowie, schon unter Benutzung des Wirkungsquantums, die Bohrsche Atomtheorie, die das Atomplanetensystem erkennen lieR, sich aber mit ihren ,,strahlungslosen" Elektronenbahnen zunachst in schroffem Gegensatz zur klassischen Elektrodynamik setzte.Durch eine Fulle experimenteller Bestatigungen erwies sich jedoch ihr Wahrheitswert, womit ein neues Zeitalter der Physik eroffnet wurde.Es ist bekannt, da13 die Bohrsche Theorie auch auf Schwierigkeiten sties, was aber ihre fundamentale Bedeutung nicht aufhob, und daI3 dann Heisenberg, Schrodinger, Dirac u. A. die Quantenmechanik aufstellten, die auch noch heute das physikalische Weltbild beherrscht.Heisenbergs groI3e Tat ist nicht nur die Quantentheorie der Matrizen, sondern auch vor allem die Entdeckung der Unscharfe-Relationen, welche den von de Broglie aufgedeckten Dualismus von Teilh e n -und Wellenbild begrundeten.Hier werden wir anzuknupfen haben, wenn die Bedeutung der modernen Physik fur den Begriff der Objektivierbarkeit, dem diese Arbeit gewidmet sein soll, ins Auge gefaRt wird.Heisenberg hat wohl zuerst die veranderte Stellung der Physik zur Objektivierbarkeit erfaI3t.In aufierordentlich klarer Weise hat er &on 1933 in einem Munchener Vortrag diese schopferische Idee ans Licht ge-~t e l l t .~) Die Unscharfe-Relationen sprechen in ihrer ersten Form die Komplementaritat zwischen Impuls und Ort einerseits, zwischen Energie und Zeit andererseits aus.Klassische und Quantenphysik haben die Satze von der Erhaltung der Energie und des Impulses gemeinsam.Wenn man mit der klassischen Physik in den Erhaltungssatzen die Kausalgesetzlichkeit als Ausdruck der Gesetzlichkeit der Naturvorgange annimmt, im Raum-Zeit-Bild die Anschaulichkeit, so wird man die beiden Kennzeichen der Kausalitat im klassischen Sinne, Energie und Impuls, als komplementar zu der Dimension der Anschauung setzen.Wir mussen auch hier die Kenntnis der quantenmechanischen Theorie im wesentlichen als bekannt voraussetzen.Schrodinger sah in seiner Wellen-
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.
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.