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Interferenz am Keil

Grundwissen

  • Auch bei der Reflexion an keilförmigen Anordnungen tritt Interferenz auf.
  • Mit einem Luftkeil kannst du die Dicke dünner Objekte, wie z.B. von einem Haar bestimmen.

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  • Auch bei der Reflexion an keilförmigen Anordnungen tritt Interferenz auf.
  • Mit einem Luftkeil kannst du die Dicke dünner Objekte, wie z.B. von einem Haar bestimmen.

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Erklärungsprobleme des Photoeffekts

Grundwissen

Einige Aspekte des Photoeffektes können mit dem klassischen Wellenmodell nur schwerlich erklärt werden:

  • Die Existenz einer oberen Grenzwellenlänge oberhalb derer auch bei gesteigerter Intensität keine Elektronen mehr ausgelöst werden.
  • Trägheitsloses Einsetzen des Photostroms

Das Photonenmodell liefert für dieses Aspekte plausible Erklärungen.

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Einige Aspekte des Photoeffektes können mit dem klassischen Wellenmodell nur schwerlich erklärt werden:

  • Die Existenz einer oberen Grenzwellenlänge oberhalb derer auch bei gesteigerter Intensität keine Elektronen mehr ausgelöst werden.
  • Trägheitsloses Einsetzen des Photostroms

Das Photonenmodell liefert für dieses Aspekte plausible Erklärungen.

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Totalreflexion

Grundwissen

  • Beim Übergang zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes reflektiert.
  • Nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium kann Totalreflexion auftreten.
  • Den Grenzwinkel der Totalreflexion \(\alpha_{\rm{Gr}}\) hängt von den beiden Materialien ab.

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  • Beim Übergang zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes reflektiert.
  • Nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium kann Totalreflexion auftreten.
  • Den Grenzwinkel der Totalreflexion \(\alpha_{\rm{Gr}}\) hängt von den beiden Materialien ab.

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Gesetz von MALUS

Grundwissen

  • Gesetz von MALUS: \(I=I_0\cdot \cos^2\left( \alpha \right)\)

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  • Gesetz von MALUS: \(I=I_0\cdot \cos^2\left( \alpha \right)\)

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Polarisation von Licht - Einführung

Grundwissen

  • Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.
  • Lineare Polarisationsfilter können nur von Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung passiert werden.
  • Laserlicht und das Licht von Computerdisplays ist polarisiert.

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  • Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.
  • Lineare Polarisationsfilter können nur von Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung passiert werden.
  • Laserlicht und das Licht von Computerdisplays ist polarisiert.

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Polarisation von Licht - Fortführung

Grundwissen

  • Passiert unpolarisiertes Licht einen idealen linearen Polarisationsfilter, so halbiert sich seine Intensität.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, kann kein Licht die Anordnung passieren.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen verdreht zueinander ausgerichtet, passiert ein Teil des Lichtes die Anordnung mit geänderter Polarisationsrichtung.

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  • Passiert unpolarisiertes Licht einen idealen linearen Polarisationsfilter, so halbiert sich seine Intensität.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, kann kein Licht die Anordnung passieren.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen verdreht zueinander ausgerichtet, passiert ein Teil des Lichtes die Anordnung mit geänderter Polarisationsrichtung.

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BREWSTER-Winkel

Grundwissen

  • Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
  • Für den Brewster-Winkel gilt:  \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).

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  • Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
  • Für den Brewster-Winkel gilt:  \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).

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Doppelspalt

Grundwissen

  • Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
  • Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
  • Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.

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  • Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
  • Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
  • Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.

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Gittertypen

Grundwissen

  • Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
  • Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
  • Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.

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  • Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
  • Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
  • Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.

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Das menschliche Auge - Aufbau und scharfes Sehen

Grundwissen

  • Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
  • Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
  • Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.

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  • Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
  • Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
  • Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.

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BRAGG-Reflexion

Grundwissen

  • Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
  • Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
  • Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)

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  • Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
  • Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
  • Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)

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Beugung und Interferenz von Elektronen an Kristallgittern

Grundwissen

  • De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.

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  • De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.

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Beugung und Interferenz von Elektronen außerhalb von Materie

Grundwissen

  • Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.

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  • Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.

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Geschwindigkeitsaddition

Grundwissen

  • Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).

 

 

 

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  • Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).

 

 

 

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Wesenszug 1: Statistische Vorhersagbarkeit

Grundwissen

  • Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
  • Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
  • Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.

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  • Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
  • Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
  • Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.

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Wesenszug 2: Fähigkeit zur Interferenz

Grundwissen

  • Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
  • Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
  • In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
  • Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.

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  • Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
  • Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
  • In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
  • Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.

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Wesenszug 3: Eindeutige Messergebnisse

Grundwissen

  • Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
  • Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
  • Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.

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  • Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
  • Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
  • Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.

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Wesenszug 4: Komplementarität

Grundwissen

  • Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
  • Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).

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  • Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
  • Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).

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Beugung

Grundwissen

  • Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
  • Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.

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  • Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
  • Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.

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Licht und Farben

Grundwissen

  • Licht hat keine Farbe.
  • Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
  • Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
  • Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.

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  • Licht hat keine Farbe.
  • Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
  • Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
  • Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.

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Das menschliche Auge - Akkommodation und Sehfehler

Grundwissen

  • Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
  • Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
  • Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.

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  • Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
  • Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
  • Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.

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Optik

Lichtreflexion

  • Vertauscht ein Spiegel links und rechts?
  • Wie groß muss ein Spiegel sein, damit man sich ganz in ihm sehen kann?
  • Wo befindet sich das Spiegelbild, wenn hinter dem Spiegel eine Wand ist?

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Optik

Farben

  • Kann man Licht zerlegen …
  • … und wieder zusammensetzen?
  • Wie entstehen die Farben beim Fernseher …
  • … und wie beim Malen mit Farben?

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Optik

Lichtausbreitung

  • Wann können wir Gegenstände sehen?
  • Warum sprechen wir von Lichtstrahlen?
  • Wie entstehen Schatten?
  • Wie funktioniert eine Lochkamera?

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Optik

Lichtbrechung

  • Verlaufen Lichtstrahlen immer geradlinig?
  • Wie funktioniert ein Prisma?
  • Warum können wir unter Wasser schlecht sehen?
  • Wie entsteht eine Fata Morgana …
  • … und wie ein Regenbogen?

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Optik

Optische Linsen

  • Was sind Sammellinsen …
  • … und was Zerstreuungslinsen?
  • Wie erzeugen Linsen eigentlich Bilder?
  • Was sind virtuelle …
  • … und was reelle Bilder?

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Optik

Beugung und Interferenz

  • Kommt Licht um die Ecke?
  • Licht + Licht = Dunkelheit?
  • Wie misst man die Wellenlänge von Licht?

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Optik

Elektromagnetisches Spektrum

  • Was haben Infrarotstrahlung …
  • … Mikro- und Radiowellen …
  • … und Licht gemeinsam?

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Optik

Polarisation

  • Wie polarisiert man Licht?
  • Wie funktioniert ein Polarisationsfilter?
  • Wo wird polarisiertes Licht genutzt?

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Quantenphysik

Quantenobjekt Elektron

  • Elektronen – mehr als Billardkugeln?
  • Wie verhalten sich Elektronen an einem Doppelspalt?
  • Wie groß ist die de BROGLIE-Wellenlänge?
  • Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus?

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