2001/09: Licht streut Elektronen

 Teilchen oder Welle? Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können sich alle Teilchen wie Wellen und Wellen wie Teilchen verhalten. Ein eindrucksvoller weiterer Beweis dieses Naturgesetzes gelang nun Physikern der University of Nebraska in Lincoln. So beobachteten sie erstmals, wie Masse tragende Elektronen durch Licht wie Wellen gestreut wurden.

 

Für Lichtteilchen, die Photonen, ist die Streuung durch feine Strukturen von Materie ein alltäglich beobachtetes Phänomen. Diese Streuung bildet zum Beispiel die Ursache für die schillernden Regenbogenfarben, die durch die feine Struktur auf CD-Oberflächen entstehen. Wesentliche Bedingung für diesen Effekt ist, dass die Strukturen der Materie sich in der gleichen Größenordnung, also einige hundert Nanometer, bewegen wie die Lichtwellen selbst.

 

Möglich wurde dieses Experiment, das bereits 1933 von den beiden weltberühmten Quantenphysikern Paul Dirac und Pjotr L. Kapitza vorgeschlagen wurde, durch moderne intensive Laser. Zwischen einem Spiegel und einer Linse bauten die Physiker nun mit dem gepulsten Lichtstrahl des Lasers eine so genannte stehende Welle auf. Laufen die einzelnen Elektronen durch diese Welle, werden sie je nach ihrer Geschwindigkeit nach der gleichen Gesetzmäßigkeit abgelenkt wie die verschiedenen Farben des Lichts durch ein Prisma. Allerdings bewegt sich die Ablenkung der Elektronen-Wellen in der Größenordnung von Zehntel Milliardstel Metern (Angström).

 

Bereits vor einigen Jahren gelang es Physikern, den Wellencharakter von ganzen Atomen experimentell nachzuweisen. Dieses zur Zeit boomende Gebiet der Atom-Optik führte die Wissenschaft bereits zu weiteren Entwicklungen wie den Atom-Laser. Auch für einen zukünftigen Quantencomputer könnte dieser Welle-Teilchen Dualismus der Atome eine große Rolle spielen. Die gestreuten Elektronen hingegen könnten für genauere Spektroskopie-Methoden genutzt werden. So denken die amerikanischen Forscher bereits an ein Elektronen-Interferometer, das auf diesem verschwindend kleinen Effekt aufbaut.

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