Quantenmechanik 1: Das Doppelspalt-Experiment
Summary
TLDRDieses Video erklärt die doppelte Natur des Lichts als sowohl Welle als auch Teilchen, basierend auf der Quantenmechanik. Es führt durch die Geschichte der Physik, von Newtons Teilchenmodell und Huygens' Wellenmodell bis hin zu Thomas Youngs Doppelspaltexperiment, das die Welleneigenschaften des Lichts experimentell belegt. Durch das Experiment wurden Beugung und Interferenz verstanden, was zur Anerkennung der Wellennatur des Lichts führte und später zu grundlegenden Erkenntnissen in der Quantenmechanik beigetragen hat.
Takeaways
- 🌟 Licht besitzt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften, was als das Doppelnatur des Lichts bezeichnet wird.
- 🔬 Thomas Young konnte im Jahr 1801 durch das Doppelspaltexperiment experimentell die Welleneigenschaften von Licht belegen.
- 📚 Im 17. Jahrhundert entwickelten sich zwei unterschiedliche Vorstellungen über das Wesen des Lichts: das Wellenmodell (Christian Huygens) und das Teilchenmodell (Isaac Newton).
- 🎯 Newtons Autorität führte dazu, dass sein Teilchenmodell schnell akzeptiert wurde, obwohl zu dieser Zeit keine experimentellen Belege vorhanden waren.
- 🔍 Beugung und Interferenz sind zentrale Konzepte, um das Doppelspaltexperiment und die Wellennature des Lichts zu verstehen.
- 🌈 Destruktive und konstruktive Interferenz sind Extremfälle, bei denen Wellen sich entweder vollständig auslöschen oder verstärken, was durch die Überlagerung von Wellenamplituden erklärt wird.
- 📉 Das Doppelspaltexperiment erwartet, dass Licht hinter einem Doppelspalt ein Beugungsmuster aus vielen hellen Streifen erzeugt, wenn es Welleneigenschaften hat.
- 🏆 Richard Feynman vergleicht das Experiment mit dem Schießen durch zwei Spalten mit einer Maschinenpistole, um die Teilchentheorie zu illustrieren.
- 🌈 Thomas Young beobachtete im Experiment viele helle Streifen, was als experimenteller Beleg für die Wellennature des Lichts angesehen wird.
- ⏳ Es dauerte lange, bis die Wellennature des Lichts erkannt wurde, da die Wellenlängen extrem kurz sind und Beugungserscheinungen nur bei Spalten in der Größenordnung der Wellenlänge auftreten.
Q & A
Was ist das Dualnaturprinzip des Lichts?
-Das Dualnaturprinzip besagt, dass Licht sowohl Welleneigenschaften als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Dies ist einer der Grundpfeiler der Quantenmechanik.
Wer war der prominenteste Vertreter des Wellenmodells des Lichts im 17. Jahrhundert?
-Der prominenteste Vertreter des Wellenmodells war Christian Huygens.
Wer vertrat im 17. Jahrhundert das Teilchenmodell des Lichts und welches Werk veröffentlichte er?
-Sir Isaac Newton vertrat das Teilchenmodell des Lichts und veröffentlichte 1704 sein Werk 'Opticks'.
Was ist das Doppelspaltexperiment und welche Bedeutung hat es für die Physik?
-Das Doppelspaltexperiment ist ein Experiment, das von Thomas Young durchgeführt wurde, um die Welleneigenschaften des Lichts zu beweisen. Es ist heute ein wichtiges Experiment in der Quantenmechanik.
Was sind Beugung und Interferenz, wie werden sie im Kontext des Doppelspaltexperiments erklärt?
-Beugung ist der Vorgab, dass ein Teil einer Welle sich um ein Hindernis ändert. Interferenz beschreibt die Überlagerung von Wellen, bei der sich die Amplituden addieren. Im Doppelspaltexperiment führt die Überlagerung zu Interferenzmustern hinter den Spalten.
Was ist destruktive Interferenz und wie tritt sie im Doppelspaltexperiment auf?
-Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Amplituden von Wellen sich gegenseitig aufheben, was zu einer Auslöschung der Intensität führt. Im Doppelspaltexperiment sieht man dies als dunkle Streifen im Interferenzmuster.
Was ist konstruktive Interferenz und wie wird sie im Experiment beobachtet?
-Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn die Amplituden von Wellen sich addieren und die Intensität verstärkt wird. Im Experiment werden dies die hellen Streifen im Interferenzmuster.
Was passiert im Doppelspaltexperiment, wenn Licht als Teilchen betrachtet wird?
-Wenn Licht als Teilchen betrachtet wird, würde man erwarten, dass hinter jedem Spalt ein heller Streifen entsteht, da Teilchen geradeaus fliegen.
Was passiert im Doppelspaltexperiment, wenn Licht als Welle betrachtet wird?
-Wenn Licht als Welle betrachtet wird, entstehen durch die Überlagerung der Wellen hinter den Spalten viele helle Streifen aufgrund von konstruktiver Interferenz.
Was beobachtete Thomas Young im Ergebnis seines Doppelspaltexperiments und was bedeutete das?
-Thomas Young beobachtete viele helle Streifen im Ergebnis seines Experiments, was als experimenteller Beleg für die Wellennature des Lichts angesehen wird.
Warum wurde die Wellennatur des Lichts erst nach dem Doppelspaltexperiment allgemein anerkannt?
-Die Wellennatur des Lichts wurde erst nach dem Doppelspaltexperiment allgemein anerkannt, weil die Wellenlängen des Lichts extrem kurz sind und Interferenz- und Beugungserscheinungen nur bei Spalten in der Größenordnung der Wellenlänge auftreten.
Outlines
🔬 Doppelspaltexperiment und Lichtwellen
Der erste Absatz behandelt die doppelte Natur des Lichts als Welle und Teilchen, die eine der Grundlagen der Quantenmechanik darstellt. Thomas Youngs Doppelspaltexperiment von 1801 wird als historisches Ereignis beschrieben, das experimentell die Welleneigenschaften des Lichts nachgewiesen hat. Es wird erklärt, dass im 17. Jahrhundert zwei verschiedene Vorstellungen über das Wesen des Lichts entwickelt wurden: das Wellenmodell, vertreten von Christiaan Huygens, und das Teilchenmodell, das Isaac Newton unterstützte. Newtons Autorität führte dazu, dass sein Teilchenmodell schnell akzeptiert wurde, obwohl es damals keine experimentellen Belege gab. Das Doppelspaltexperiment von Young, das später zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenmechanik wurde, demonstrierte die Welleneigenschaften des Lichts. Der Absatz erklärt auch die Begriffe Beugung und Interferenz, die für das Verständnis des Experiments wichtig sind. Beugung beschreibt, wie ein Teil einer Welle seine Richtung ändert, wenn sie durch ein Hindernis geht, während Interferenz die Überlagerung von Wellen beschreibt, wobei die Amplituden addiert werden. Destruktive Interferenz führt zur Auslöschung von Wellen, während konstruktive Interferenz zu einer Verstärkung führt. Das Experiment erwartet, dass Licht, wenn es sich wie Teilchen verhält, hinter einem Doppelspalt zwei helle Streifen erzeugt, während es bei Welleneigenschaften viele helle Streifen hinterlassen sollte.
🌈 Thomas Youngs Experiment und die Erkenntnis der Lichtwellen
Der zweite Absatz beschreibt das Experiment von Thomas Young, bei dem er viele helle Streifen beobachtete, was als experimenteller Beleg für die Wellenart des Lichts angesehen wurde. Youngs Experiment führte dazu, dass man von einer Wellentheorie sprechen konnte. Die Breite der Streifen hinter einem Doppelspalt variiert je nach Farbe des Lichts, wobei rotes Licht die breitesten Streifen erzeugt und blaues Licht die schmalesten. Youngs Experiment nutzte das weiße Licht der Sonne, was eine Überlagerung aller Farben bedeutet, und das Ergebnis zeigte nicht nur helle Streifen, sondern auch ein Auseinanderfließen der Spektralfarben. Der Absatz erklärt, dass es lange gedauert hat, bis die Wellenart des Lichts erkannt wurde, weil die Wellenlängen extrem kurz sind und die Erscheinungen wie beim Doppelspaltexperiment nur eintreten, wenn die Hindernisse in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen. Das Experiment führte zu einem Paradigmenwechsel in der Physik, wobei das Wellenmodell anerkannt wurde und das Teilchenmodell für etwa 100 Jahre zurückgestellt wurde, bis Albert Einstein 1905 neue Erkenntnisse brachte.
Mindmap
Keywords
💡Licht
💡Wellenmodell
💡Teilchenmodell
💡Doppelspaltexperiment
💡Beugung
💡Interferenz
💡Destruktive Interferenz
💡Konstruktive Interferenz
💡Quantenmechanik
💡Thomas Young
Highlights
Licht besitzt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften, was als Doppelnatur des Lichts in der Quantenmechanik bekannt ist.
Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young aus dem Jahr 1801 konnte die Welleneigenschaften von Licht experimentell belegen.
Im 17. Jahrhundert entwickelten sich zwei gegensätzliche Vorstellungen über das Wesen des Lichts: das Wellenmodell (Christian Huygens) und das Teilchenmodell (Isaac Newton).
Newtons Autorität führte dazu, dass sein Teilchenmodell schnell akzeptiert wurde, obwohl es zu dieser Zeit keine experimentellen Belege gab.
Beugung und Interferenz sind zwei zentrale Konzepte, um das Doppelspaltexperiment und die Welleneigenschaften von Licht zu verstehen.
Beugung beschreibt, wie ein Teil einer Welle die Richtung ändert, wenn sie durch ein Hindernis geht, was gut mit dem Prinzip von Huygens verstanden werden kann.
Interferenz ist die Überlagerung von Wellen, bei der die Amplituden addiert werden, was zu einer verstärkten oder verringerten Wellenamplitude führen kann.
Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Amplituden von Wellen sich aufheben, während konstruktive Interferenz zu einer Verstärkung führt.
Wenn Licht wie Teilchen verhält, sollte das Durchgang durch einen Doppelspalt zu zwei hellen Streifen führen.
Im Gegensatz dazu erwartet man bei Welleneigenschaften ein Beugungsmuster mit vielen hellen Streifen hinter einem Doppelspalt.
Thomas Young beobachtete im Experiment viele helle Streifen, was als experimenteller Beleg für die Wellen Natur des Lichts gilt.
Die Breite der Streifen hinter einem Doppelspalt variiert je nach Farbe und Wellenlänge des Lichts.
Thomas Youngs Experiment führte zu einem Paradigmenwechsel in der Physik, wobei das Wellenmodell an Bedeutung gewann und das Teilchenmodell zurückging.
Das Doppelspaltexperiment zeigt, dass die Wellenlänge von Licht winzig klein sein muss, um Beugungserscheinungen zu erzeugen.
Albert Einsteins Arbeit aus dem Jahr 1905 führte zu einer Neubewertung des Teilchenmodells des Lichts.
Transcripts
was ist Licht Welle oder Teilchen heute
wissen wir das Licht sowohl Wellen als
auch teilcheneigenschaften besitzt diese
Doppelnatur des Lichts ist einer der
Grundpfeiler der Quantenmechanik
wir gehen aber langsam und chronologisch
an und nehmen in diesem Video das
Doppelspaltexperiment von 1801 unter die
Lupe mit dem Thomas janck erstmals in
der Geschichte der Physik die
Welleneigenschaften von Licht
experimentell belegen konnte
[Musik]
im Laufe des 17 jahrhunderts wurden zwei
verschiedene Vorstellungen über das
Wesen des Lichts entwickelt die jeweils
mit dem Namen eines berühmten Physikers
verbunden sind
auf der einen Seite gab es das
Wellenmodell dessen prominentester
Vertreter christian heuchels war auf der
anderen Seite gab es das Teilchenmodell
das im Wesentlichen offsehr als
erkannten zurückging Newton
veröffentlichte 1704 sein Buch optics
indem er unter anderem auch den Teilchen
Charakter des Lichts beschreibt seine
Autorität war dermaßen groß dass ich
sein Teilchenmodell relativ rasch
durchsetzte
zu dieser Zeit gab es keine
experimentellen Belege beide Modelle
waren also bloß Hypothesen also
Vermutungen aber dann kann das Jahr 1801
und der Arzt Thomas Jank macht es ein
berühmtes Doppelspaltexperiment das
später einmal zum wichtigsten Experiment
der Quantenmechanik werden sollte und
das in leicht veränderter Form bis heute
durchgeführt wird
um das gewichtige Ergebnis des
Experiments verstehen zu können brauchen
wir vorher zwei Puzzle Steine nämlich
Beugung und Interferenz
Beugung bedeutet dass ein Teil einer
Welle einen im Hindernis die Richtung
ändert sehr gut kann man das mit dem
Prinzip von heuchels verstehen zudem es
auf diesem Kanal ein eigenes
detailliertes Video gibt wir sehen uns
hier vor allem den Fall an dass eine
Welle durch einen schmalen Spalt geht
dann entsteht dahinter eine halbe
kreiswelle die Welle wird beim Durchgang
durch den Spalt quasi in alle Richtungen
gebeugt
der zweite bastelstein ist die
Interferenz in der Vereins beschreibt
die Überlagerung von Wellen dabei
addieren sich die Amplituden das ist
hier im Hintergrund zu sehen weil die
blaue Welle genauso weit im Plus ist wie
die grüne Welle Minus ist und umgekehrt
löschen einander beide Wellen komplett
aus das ist die weiße Linie mathematisch
könnte man das so formulieren 1 + -1 ist
null diesen Spezialfall der kompletten
Auslöschung nennt man destruktive
Interferenz
wenn Berge und Täler der Wellen genau
übereinander liegen dann sagt man die
Wellen schwingen in Phase in diesem Fall
bekomme ich eine doppelt so hohe
gesamtwelle mathematisch könnte man
sagen eins plus eins ist zwei diesen
Spezialfall der maximalen Verstärkung
nennt man konstruktive Interferenz
destruktive und konstruktive Interferenz
sind die beiden Extremfälle bei allen
anderen Verschiebungen zwischen den
beiden Wellen liegt die Gesamthöhe der
Welle irgendwo zwischen Auslöschung und
doppelter Amplitude
und das bringt uns zum
Doppelspaltexperiment zurück um seine
Aussagekraft zu verstehen sollte man
sich vorher überlegen was Licht hinter
einem Doppelspalt machen würde je
nachdem ob es sich wie Teilchen oder
Welle verhält
nehmen wir zunächst einmal an dass sich
Licht wie ein Schauer von Teilchen
verhält weil teilchenschnur geradeaus
fliegen müsste hinter jedem Spalt ein
heller Streifen entstehen der
Nobelpreisträger Richard Faymann hat das
einmal sehr plakativ damit verglichen
dass man mit einer Maschinenpistole
durch zwei Spalte schießt
aber Achtung man muss sich das alles
sehr sehr verkleinert denken weil beim
realen Doppelspaltexperiment die Breite
der Spalte einen Bruchteil eines
Millimeters beträgt
was würde andererseits passieren wenn
sich Licht wie eine Welle verhält für
die folgenden Überlegungen nehme ich
vereinfacht an dass nur eine einzige
Lichtfarbe durch die doppelspalte geht
und zwar zum Beispiel gelbes Licht mit
einer Wellenlänge von 580 Nanometer beim
Durchgang durch den Doppelspalt
entstehen zwei kreiswellen und die
Überlagerung dieser beiden kreiswellen
führt zu Interferenzen
man sieht hier an dieser Simulation sehr
schön dass sich die Wellen durch
konstruktive Interferenz an manchen
Stellen maximal verstärken würden und
durch destruktive Interferenz an manchen
Stellen komplett auslöschen würden je
nachdem ob gerade bergauf Berg oder
bergauf trifft es müsste hinter einem
Doppelspalt also ein Beugungsmuster aus
vielen hellen Streifen entstehen
wenn also nicht teilcheneigenschaften
hat dann müsste man zwei helle Streifen
sehen wenn es Welleneigenschaften hat
viele helle Streifen was konnte Thomas
Young in seinem Experiment beobachten
viele helle Streifen und deshalb hatte
man nun erstmals in der Geschichte der
Physik einen experimentellen Beleg für
die Wellen Natur des Lichts ab jetzt
kann man wirklich von einer Wellen
Theorie sprechen
die Breite der Streifen hinter einem
Doppelspalt ist für jede Farbe ein
bisschen anders rotes Licht erzeugt die
breitesten Streifen und blaues Licht die
schmelzen das hat mit der Wellenlänge zu
tun
ich habe vorher vereinfacht einfarbiges
Licht angenommen um möglichst plakativ
zu sein Thomas Jank verwendete für sein
original-experiment aber das weiße Licht
der Sonne das entspricht also da
Überlagerung von allen Farben das
Ergebnis seines Experiments muss also
ungefähr so ausgesehen haben es
entstehen dabei nicht nur helle Streifen
sondern die Spektralfarben fließt noch
ein bisschen auseinander
der springende Punkt bleibt aber
dasselbe mit dem Teilchenmodell kann man
dieses Muster hier nicht erklären mit
dem Wellenmodell ist es aber über
Beugung und Interferenz ein Klacks
warum hat es so lang gedauert bis man
die wellenatur des Lichts erkannt hat
das liegt an den extrem kurzen
Wellenlängen von weniger als einem
tausendstel Millimeter bei
übungserscheinungen wie beim Doppelspalt
treten nämlich nur dann auf wenn die
Hindernisse oder Spalte ungefähr in der
Größenordnung der Lichtwellenlänge
liegen also winzig klein sind
wenn Licht durch ein Doppelfenster geht
bekommt man natürlich zwei helle
Streifen wenn ich das Doppelfenster aber
winzig winzig klein macht einen
Bruchteil eines Millimeters groß dann
bekomme ich beugungserscheinungen und
genau das ist das Doppelspaltexperiment
von Thomas Jank
youngsexperiment führte nach und nach zu
einem Umdenken das Wellenmodell setzt
sie sich durch und das Teilchenmodell
wurde für etwa 100 Jahre verworfen aber
dann kam das Jahr 1905 und Albert
Einstein war wieder alles über den
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