Techniklexikon

Welle-Teilchen-Dualismus

Quantenmechanik, die Tatsache, dass Materie je nach den Versuchsbedingungen als Welle (Feld) oder Teilchen (Korpuskel) in Erscheinung tritt. Der Dualismus des Lichtes wurde 1905 von A. Einstein mit seiner Erklärung des Photoeffekts durch korpuskulare Materie konstatiert, nachdem über hundert Jahre die Welleninterpretation des Lichtes dominierte. Sie schien insbesondere seit dem Existenznachweis der elektromagnetischen Wellen von H. Hertz unantastbar. Weitere Beweise für den Welle-Teilchen-Dualismus lieferten der Compton-Effekt (1925) und die punktförmige Schwärzung einer Photoplatte durch Lichtblitze geringster Intensität. Der analoge Welle-Teilchen-Dualismus für Materie (mit von Null verschiedener Ruhemasse) wurde zunächst von de Broglie postuliert (De-Broglie-Welle) und dann durch die Elektronenbeugung glänzend bestätigt (Davisson und Germer, 1927). Der Welle-Teilchen-Dualismus favorisiert die komplementäre Beschreibung als angemessene Beschreibung von Wellen und Korpuskeln.

Mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops lassen sich heutzutage Atome oder Moleküle in kleinsten Strukturen anordnen, in denen der Experimentator mit Elektronenwellen fast wie mit Wasserwellen »spielen« kann. So setzten Forscher des IBM-Labors in San Jose auf einer Kupferoberfläche ein einzelnes Kobaltatom in den einen Brennpunkt einer elliptischen Kette von Atomen und beobachteten im anderen Brennpunkt ein originalgetreues Abbild der elektronischen Signatur des Kobaltatoms, eine sog. »Quanten-Fata-Morgana.« (siehe Abb.).

Welle-Teilchen-Dualismus: Forschern der IBM Research Division in San Jose gelang die Entdeckung einer »Quanten-Fata-Morgana«: Mit einem Rastertunnelmikroskop ordneten sie auf einer Kupferoberfläche einen elliptischen Ring aus Kobaltatomen an, der die oberflächennahen Elektronen »einzäunt«; dabei entsteht ein Wellenmuster (a). Form und Grösse der Ellipse definieren den Quantenzustand der Elektronen; hier ist er so gewählt, dass die Elektronendichte in den Brennpunkten besonders gross ist. Wird nun in den einen Brennpunkt ein Kobaltatom plaziert, zeigen die Elektronen im anderen Brennpunkt dieselben Eigenschaftem, so als ob auch dort ein Kobaltatom sitzen würde (b). Wird das Kobaltatom allerdings nicht in den Brennpunkt gesetzt, tritt das Phänomen nicht auf (c). (Mit freundlicher Genehmigung von IBM Research, Almaden Research Center)