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Versuche

Versuch von TONOMURA

Bilder des Elektronenmikroskops bei zunehmendem Elektronenstrom

Die Experimente mit der Elektronenbeugungsröhre und dem Doppelspalt-Versuch mit Elektronen von JÖNSSON konnten mit einem Wellenmodell für die Elektronen gut verstanden werden. Zusätzliche Informationen über das Verhalten des "Quantenobjekts Elektron" kann man durch Experimente bekommen, bei denen die Zahl der Elektronen, die sich gleichzeitig in der Versuchsanordnung befinden sehr klein ist, bzw. sich im Extremfall immer nur ein Elektron in der Versuchsanordnung befindet. Diese Experimente sind sehr ähnlich zum Experiment zur Ein-Teilchen-Interferenz bei Photonen (Link am Ende dieses Artikels).

Im Jahre 1974 gelang es einer italienischen Gruppe um die Physiker Pier Giorgio MERLI, Gian Franco MISSIROLI, and Giulio POZZI in Bologna mit einer dem Doppelspalt sehr ähnlichen Anordnung, welche in ein Elektronenmikroskop eingebaut wurde, Interferenzbilder mit Elektronen zu erzeugen. Im Gegensatz zur Anordnung von JÖNSSON konnte der Elektronenstrom bei dieser Anordnung so stark reduziert werden, dass sich im Mittel nur wenige Elektronen innerhalb der Beugungsanordnung befanden. Wenn Sie näheres zu diesem Experiment erfahren wollen, so gehen Sie zu der folgenden sehr schön aufgemachten Website oder zu diesem Artikel.

In einem Film in englischer Sprache wird sehr ausführlich auf die Entwicklung dieses Experiments eingegangen und über die Ergebnisse berichtet.

In den Labors von Hitachi in Tokio konnten Akira TONOMURA (1942 - 2012) und seine Mitarbeiter im Jahre 1989 ein Experiment durchführen, das demjenigen der italienischen Gruppe ähnelt und über welches hier etwas ausführlicher berichtet werden soll.

Die Beugungsanordnung für die Elektronen hat weniger mit dem Doppelspalt von Jönsson, sondern mehr mit der Biprisma-Anordnung von Möllenstedt und Düker (1955 Tübingen) zu tun. In der nebenstehenden Skizze ist die Struktur des Experiments stark vereinfachet dargestellt.

  • Zur Verwendung kam eine Elektronenquelle sehr geringer Intensität (weniger als 1000 Elektronen/s).

  • Die von der Quelle ausgehenden Elektronen werden zunächst auf ca. 40% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gelangen dann in den Raum zwischen zwei geerdeten Platten, in deren Mitte sich ein sehr dünner metallisierter Draht (Durchmesser < 1/1000 mm) befindet, welcher positiv aufgeladen werden kann.

  • Die Elektronen mit obiger Geschwindigkeit benötigen etwa eine Milliardstel Sekunde , um das etwa 1 Meter lange Elektronenmikroskop, in welches die Biprisma-Anordnung eingebaut ist, zu durchlaufen. Daher kann man davon ausgehen, dass sich im Mittel immer nur höchstens ein Elektron in der Anordnung befindet.

  • Mit dem Detektor war eine genaue Ortsbestimmung in der "Auffangebene" möglich. Die Nachweiswahrscheinlichkeit für die Elektronen lag bei 100%.

  • Angefangen von den ersten Einschlägen der Elektronen am Detektor bis zur Ausbildung eines Interferenzmusters wie man es etwa vom Jönsson-Versuch her kennt dauerte es ca. 20 Minuten. Innerhalb dieser Zeit mussten die Randbedingungen des Versuchs streng konstant gehalten werden.

Die nebenstehenden Bilder zeigen die Versuchsergebnisse des Hitachi-Experiments:

  • Zunächst sind scheinbare regellose Einschläge von ganzen Elektronen festzustellen (Bilder oben).

  • Im Bild links unten zeigt sich bei genauem Hinschauen schon andeutungsweise die Struktur des späteren Interferenzbildes, welches unten rechts zu sehen ist.

  • Unter der Adresse http://rdg.ext.hitachi.co.jp/rd/moviee/doubleslite-n.wmv können Sie auch einen Film von Prof. Tonomura sehen, der die zeitliche Entwicklung des Bildschirms zeigt.