Dubbelspleet-experiment met elektronen
Freek stelde deze vraag op 18 januari 2023 om 18:29.Dit staat er in mijn boek (systematische natuurkunde) over het dubbelspleet experiment met elektronen:
Het dubbelspleet-experiment van Young is het bewijs dat licht golfeigenschappen heeft. Een vergelijkbaar experiment is uitgevoerd met elektronen om de golfeigenschappen daarvan te onderzoeken. Elektronen worden op een dubbele spleet afgeschoten. Achter de dubbele spleet staat een scherm waarop je kunt zien waar de elektronen terechtkomen. Als elektronen zich als deeltjes gedragen, komen ze recht achter de spleten op het scherm terecht. Je verwacht dan een beeld met twee strepen, één achter elke spleet. Maar als elektronen zich als golven gedragen, moet er een interferentiepatroon met veel strepen ontstaan.
In een dubbelspleet-experiment worden de elektronen een voor een afgeschoten. Een tweede elektron wordt pas weggestuurd als het eerste elektron het scherm heeft bereikt. Dit voorkomt dat de elektronen onderweg interacties hebben. In de figuur zie je het scherm na een steeds langere tijd.
In figuur a zijn slechts enkele puntjes te zien, die horen bij de inslagen van afzonderlijke elektronen. De deeltjes lijken willekeurig verspreid op het hele scherm terecht te komen. Als het experiment lang genoeg duurt, zie je strepen ontstaan: witte voor veel inslagen, donkere voor weinig. Er ontstaat een interferentiepatroon. Een afzonderlijk puntje hoort bij een los elektron, dus een deeltje. En het interferentiepatroon ontstaat door buiging, vanwege de golfeigenschappen van het elektron.
Eigenlijk is het resultaat van dit experiment erg vreemd. In de figuur van een dubbelspleet zag je dat bij watergolven na het passeren van de twee spleten twee cirkelvormige golven ontstaan. Deze twee cirkelvormige golven interfereren vervolgens met elkaar zodat er constructieve en destructieve interferentie optreedt. Als telkens één elektron op de twee spleten wordt afgeschoten, ontstaat een vergelijkbaar patroon van knopen en buiken op het scherm. Elk elektron gedraagt zich als een golf bij het passeren van de spleten en gaat tegelijkertijd door beide spleten. Als een inslag zichtbaar is op het scherm, weet je zeker dat het elektron op dat moment een deeltje is. Waar dat op het scherm komt, kan alleen worden verklaard met de golfeigenschappen van het elektron. Dat betekent dat je bij dit experiment je geen voorstelling kunt maken hoe een elektron eruitziet. Elektronen en andere deeltjes noem je materiedeeltjes. Je kunt dus zeggen dat elektromagnetische golven en materiedeeltjes tegelijkertijd zowel golf- als deeltjeseigenschappen hebben. Fotonen en materiedeeltjes samen noem je quantumdeeltjes.
Ik begrijp niet waaruit nu blijkt dat ze deeltjeseigenschappen hebben. Want als ik het goed begrijp heeft een elektron golf eigenschappen vanwege de plaats ((de)constructieve interferentie).
En dan deeltjes eigenschappen aangezien ze op het scherm blijven? Kan een golf dan niet op een scherm blijven?
Reacties
Elektronen (net als fotonen) hebben golfgedrag omdat ze interfereren met andere golven en zo buigingsverrschijnselen tonen of destructieve/constructieve samenwerking.
Blijkbaar is er "iets" waartoe elektronen en fotonen behoren die in bepaalde omstandigheden zich als deeltjes en in andere omstandigheden als golf gedragen. We noemen dat het "duale karakter" omdat we nog niet weten hoe die twee karakters te verenigen.
Een golf blijft niet op een scherm. Een golf in een touw of in water of in lucht breidt zich steeds uit, loopt weg, Soms kaatst een golf terug en komt het een ander deel van zichzelf tegen. Bij geschikte omstandigheden onstaat een "staande golf". Visueel lijkt die niet te bewegen maar constant gaat er een golf naar links en eentje naar rechts. Samen interfererend tot staande golf.
Fotonen zijn heel lang als golfverschijnsel gezien. Maar Einstein toonde met zijn foto-elektrisch effect experiment aan dat het soms deeltjes zijn: ze zijn duaal. Elektronen werden lang als minuscuul deeltje gezien. Het 2 spleten experiment toont aan dat het zich soms als golf gedraagt: ze zijn ook duaal.
• Uit de registratie (stip op scherm) van een elektron blijkt dat het elektron zich op dat moment gedraagt als een deeltje. Losse analogie: een kogel treft een muur en slaat een gat in de muur.
• Tussen het voorwerp waarin zich de spleten bevinden en het registratie-scherm gedraagt elk elektron zich als een golf die door beide spleten is gegaan. Tussen het spleten-voorwerp en het registratie-scherm interfereert het elektron met zichzelf. Dit kun je concluderen uit het interferentiepatroon dat gaandeweg ontstaat. Want, analogie: 'de ene kogel kan de andere kogel niet uitdoven'.
• Het elektron gedraagt zich in dit experiment niet tegelijkertijd als golf en deeltje, maar eerst als golf (onderweg) en daarna als deeltje (registratie op het scherm).
• Een spleten-experiment met elektronen is voor het eerst uitgevoerd door Jönsson (1961). Met elektronen een voor een zoals beschreven in je citaat, is het voor het eerst uitgevoerd door Tonomura et al. (1989). Thomas Young heeft spleten-experimenten uitgevoerd met licht (omstreeks 1800), niet met elektronen.
Groet, Jaap
