MINT lernen

Welle oder Teilchen

Zwei Aufgaben im Stil der schriftlichen Abiturprüfung — mit Operatoren und vollständigem Erwartungshorizont zur Selbstkontrolle.

1

Der Welcher-Weg-Detektor

AFB II

In den Doppelspaltversuch mit einzelnen Elektronen wird ein Welcher-Weg-Detektor eingebaut. Er stellt für jedes Elektron fest, durch welchen der beiden Spalte es gelaufen ist; am Aufbau wird sonst nichts verändert. Material M1 zeigt die Schirmbilder und die zugehörigen Intensitätsverläufe bei ausgeschaltetem und bei eingeschaltetem Detektor — in beiden Fällen wurden gleich viele Elektronen registriert.

M1Schirmbild ohne und mit Welcher-Weg-Detektor
Detektor AUS Intensität Ort auf dem Schirm Detektor AN Intensität Ort auf dem Schirm

Die Zahl der insgesamt auftreffenden Elektronen ist in beiden Versuchen gleich; geändert wurde ausschließlich der Zustand des Detektors.

  1. Vergleichen Sie die beiden Schirmbilder in M1 und geben Sie ihren wesentlichen Unterschied an.
  2. Geben Sie jeweils an, welche Eigenschaft des Quantenobjekts — Welle oder Teilchen — im linken und im rechten Bild sichtbar wird.
  3. Erklären Sie den Befund mithilfe des Prinzips der Komplementarität.
  4. Der Detektor wird so eingestellt, dass er nur bei etwa der Hälfte aller Elektronen den Weg bestimmt. Beschreiben Sie das zu erwartende Schirmbild vorher und begründen Sie Ihre Vorhersage.
Hinweis zu Aufgabe a)
Achte auf die Zahl der Maxima und darauf, ob es Stellen gibt, an denen praktisch nichts ankommt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Ordne zu: „Auslöschung an bestimmten Stellen“ und „zwei Streifen wie bei zwei unabhängigen Öffnungen“.
Hinweis zu Aufgabe c)
Komplementarität heißt: Welle und Teilchen sind zwei einander ausschließende Seiten desselben Objekts. Welche Seite sichtbar wird, entscheidet der Versuchsaufbau.
Hinweis zu Aufgabe d)
Denke dir die Elektronen in zwei Gruppen aufgeteilt: gemessene und ungemessene. Welches Bild erzeugt jede Gruppe für sich — und was ergibt die Überlagerung beider Bilder?