Quantenphysik

Quantenobjekt Photon

Ein-Teilchen-Interferenz bei Photonen (Simulation)

  • Wie überträgt Licht seine Energie?
  • Was sind eigentlich Photonen?
  • Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
  • Können Teilchen aus Strahlung entstehen?

Ein-Teilchen-Interferenz bei Photonen (Simulation)

In den Anfängen der Quantenphysik (nach 1905) wurde gelegentlich die Vermutung geäußert, dass die Interferenzerscheinung am Doppelspalt durch die Wechselwirkung der Photonen untereinander verursacht werden könnte. Geoffrey Ingram TAYLOR (1886 - 1975)  konnte 1908 mit einer Beugungsanordnung (Licht einer Gasflamme wurde an einer Nadelspitze gebeugt und kam dann zur Interferenz) nachweisen, dass bei extrem schwacher Belichtung auf einem Film zunächst nur regellos angeordnete Schwärzungspunkte auftraten. Bei sehr langer Belichtungszeit (TAYLOR belichtete bei schwacher Intensität bis zu 3 Monate) ergab sich aber dann das gleiche Interferenzbild, als wenn man die Nadelspitze nur kurzzeitig aber mit hellem Licht beleuchtete. Bei der von TAYLOR gewählten Abschwächung des Lichts konnte man davon ausgehen, dass sich in der Beugungsanordnung gleichzeitig so wenige Photonen befanden, dass sich diese nicht gegenseitig beeinflussen konnten. Damit konnte man vermuten, dass die Interferenzerscheinungen nicht mit der gegenseitigen Wechselwirkung der Photonen erklären kann.

Hinweis: Wenn du daran interessiert bist, wie um 1909 eine physikalische Veröffentlichung verfasst wurde, so gehen zur Originalarbeit von TAYLOR. Sie enthält auch einige Dinge, welche du nicht ohne weiteres verstehen wirst, trotzdem wurde schon 1909 vermutet, dass es nicht die Wechselwirkung der "kleinen Energieportionen" untereinander ist, die zur Interferenz führt.

Inzwischen gibt es (sehr teure) CCD-Kameras (CCD: Charge Coupled Device ("ladungsgekoppeltes Bauteil)), die so empfindlich sind, dass sie das Auftreffen einzelner Photonen registrieren können. A. Weis und R. Wynands berichten über einen Versuch (2003), bei dem eine solche Kamera in die Schirmebene eines Doppelspalt-Experiments gebracht wurde. Als Lichtquelle diente ein Laserpointer, dessen Helligkeit durch Graufilter so extrem reduziert wurde, dass im Mittel der Abstand zwischen zwei Photonen \(2,5\rm{cm}\) betrug. Die Dicke des Doppelspalts betrug \(0,15\rm{mm}\), so dass man getrost von einem Ein-Photon-Beugungs-Experiment sprechen kann. In dem Streulichtfilter befanden sich noch weitere Abschwächer und zwei Interferenzfilter. Im Realexperiment ist es möglich, die Lichtintensität soweit zu reduzieren, dass sich im Mittel nur ein Photon in der Versuchsanordnung befindet (so dass also eine gegenseitige Beeinflussung der Photonen im Versuch gar nicht denkbar ist). Die Wahrscheinlichkeit ein Photon an einem bestimmten Ort des Schirms zu finden ist also vom Spaltabstand und der Entfernung des Schirms vom Doppelspalt abhängig. Auch bei nur einem Photon in der Anordnung bestimmt die Geometrie des Doppelspalts die Wahrscheinlichkeit, wo das Photon am Schirm landen wird.

Die Ergebnisse des Versuchs von Weis und Waynands sind in den folgenden Figuren dargestellt, die einer Seite der schweizerischen physikalischen Gesellschaft (SPS) entnommen sind. Die Figur links zeigt das Schirmbild einer Ein-Photonen-Kamera, welches bei der Beleuchtung eines Doppelspalts mit schwachem Laserlicht entsteht. In den nach rechts folgenden Figuren sind immer mehr Schirmbilder der Kamera übereinander gelegt. Die Zahl im jeweiligen Bild gibt an, aus wie vielen Einzelbildern die Figur entstanden ist.

Man kann sehr schön verfolgen, wie sich aus einer scheinbar regellosen Anordnung der Photonentreffer (links) allmählich das übliche, aus dem Unterricht bekannte, Interferenzbild bei einem Doppelspalt ergibt.

Hinweis: Im unteren Teil der oben zitierten Seite der SPS können Sie eine Bildfolge anklicken und Sie gelangen dann zu einem Film, der dynamisch die Entwicklung der Schirmbilder bei zunehmender Photonenzahl zeigt. Darüber hinaus können Sie ein weiteres Interferenz-Experiment mit einem Mach-Zehnder-Interferometer betrachten, welches ohne die teure CCD-Kamera auskommt.

Simulation zur Interferenz von Photonen am Doppelspalt
Doppelspalt
N = 2
Spaltabstand
d
Spaltbreite
b
Wellenlänge
λ
Lichtintensität
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
5 Entstehung des bekannte Interferenzmusters bei der Beugung am Doppelspalt durch das Auftreffen einzelner Photonen auf dem Schirm entsprechend ihrer Auftreffwahrscheinlichkeit

Die Simulation zeigt Photonen, die einen optischen Doppelspalt passieren und auf einen dahinter stehenden Schirm auftreffen. Dort wird deren Intensitätsverteilung, bedingt durch Beugung und Interferenz, errechnet. Einzelne Parameter (Spaltabstand \(d\), Spaltbreite \(b\) und Wellenlänge \(\lambda\) lassen sich variieren. Zunächst wird die Intensitäts- bzw. Wahrscheinlichkeitsverteilung als Graph dargestellt. Anschließend erfolgt eine Bestrahlung des Schirmes als Simulation, indem eine bestimmte Zahl von Photonen pro Sekunde, dargestellt als farbige Pixel, auf den Schirm treffen.

Bei kleiner Lichtintensität zeigt das Schirmbild eine "körnige" Struktur. Bei extrem herabgesetzter Intensität sind sogar einzelne Einschläge von Photonen festzustellen. Dass die Einschläge einzelner Photonen nicht völlig regellos erfolgen, erkennt man an der nach der klassischen Physik berechneten Intensitätsverteilung am Doppelspalt im unteren Teil der Simulation. Die Wahrscheinlichkeit, in der Höhe eines Intensitätsminimums einen Photoneneinschlag zu beobachten, ist extrem gering.

Hinweis: Wir danken Herrn Markus Niermann für die Idee und wichtige Tipps zu dieser Simulation.

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