Elektronen als Quantenobjekte
Elektronen gehören zu den Elementarteilchen
und sind in der Atomhülle zu finden. Freie Elektronen kann man mithilfe
der Glühemission oder der Fotoemission erzeugen.
Alle Untersuchungen bestätigen, dass sich Elektronen wie Quantenobjekte
verhalten, also stets gleichzeitig folgende Merkmale aufweisen:
- Sie haben etwas Welliges, war ihre Ausbreitung bestimmt.
- Sie haben etwas Körniges (Teilchenhaftes), was sich bei einer
Ortsmessung zeigt.
- Sie haben etwas Stochastisches, was nur Wahrscheinlichkeitsvorhersagen erlaubt.
Es gibt aber auch Situationen, in denen das Wellenmodell eine gute Näherung darstellt und Erscheinungen, die auftreten, mit diesem Modell gedeutet werden können. Zu diesen Erscheinungen gehört die Elektronenbeugung.
Beugungsbilder bei Elektronen
Schickt man einen Elektronenstrahl auf eine dünne Kristallschicht,
so entstehen Ringe, die als Interferenzen am Kristallgitter gedeutet werden
können (Bild 2). Versuche dieser Art wurden erstmals von den US-amerikanischen
Physikern CLINTON JOSEPH
DAVISSON (1881-1958) und LESTER
HALBERT GERMER (1896-1971) im Jahre 1927 durchgeführt. Für
die Elektronenbeugung
an Kristallgittern, den berühmten DAVISSON-GERMER-Versuch, erhielten
beide 1937 den Nobelpreis für Physik. Es war der direkte experimentelle
Nachweis dafür, dass sich Elektronen wie Wellen verhalten. Es war
zugleich eine glänzende Bestätigung einer Hypothese, die der
Franzose LOUIS DE BROGLIE
(1892-1987) im Jahr 1923 aufgestellt hatte: Die Ausbreitung jedes Teilchens
erfolgt als eine Welle (Materiewelle), deren Wellenlänge gegeben
ist durch die Gleichung:
Geht man z.B. von einer Beschleunigungsspannung der Elektronen von 2000
V aus, dann ergibt sich als Wellenlänge der Elektronen ein Wert von:
Elektroneninterferenz am Spalt
JÖNSSON versuchte, den Wellencharakter von Elektronen in analoger
Weise zu zeigen wie bei Licht: Statt Licht schickte er Elektronen auf
einen sehr feinen Doppelspalt und registrierte die Auftrefforte der Elektronen
(Bild 3). Es zeigte sich ein Interferenzbild, wie es aus der Wellenoptik
vom Licht her bekannt ist. Diese Experimente wurde erstmals 1960 durchgeführt.
JÖNSSON, der in dieser Zeit am Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen tätig war, veröffentlichte seine bemerkenswerten experimentellen Ergebnisse in der Zeitschrift für Physik 161, S. 454 - 474 (1961). Nachfolgend sind Auszüge aus dieser Originalarbeit zitiert. Die von ihm erzielten Elektroneninterferenzen am Doppelspalt sind in Bild 1 dargestellt.
Elektroneninterferenzen
an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten
von Claus Jönsson
Hier soll von einem weiteren, auf die Elektronenoptik
übertragenen Interferenzversuch der Lichtoptik berichtet werden:
der Beugung von Elektronenwellen am Spalt und an periodischen Anordnungen
bis zu fünf Spalten, was zum ersten Mal auch zu 3-,4- und 5-Strahlinterferenzen
in der Elektronenoptik führt.
Der ... naheliegende Versuch, Elektronenbeugung am künstlich hergestellten
Spalt, mehreren Spalten oder Gitter zu machen, stößt auf einige
technische Schwierigkeiten, die seine Verwirklichung bisher verhindert
haben. Diese sind einmal die kleine Wellenlänge des Elektronenstrahls,
denn um eine vernünftige Elektronenoptik treiben zu können,
muss man mit mittelschnellen Elektronen arbeiten. Hier wurden stets mit
50 kV beschleunigte Elektronen verwendet, deren de-Broglie-Wellenlänge
etwa 0,05 Angström, das sind 
,
beträgt. Sie ist also wesentlich kleiner als die Atomdimension, so
dass es grundsätzlich unmöglich ist, Materie mit Spalten, deren
Breite und Gitterkonstante sich in der Größenordnung der Wellenlänge
bewegen, zu versehen. Es können nur wesentlich gröbere Spalte
hergestellt werden. Dies ist an sich keine Einschränkung für
solche Versuche, nur muss man sich dann sehr um die kohärente Ausleuchtung
der Spalte und die Nachvergrößerung der sehr feinen Interferenzfiguren
bemühen. Aus der im Verhältnis zu den Atomdimensionen sehr kleinen
Wellenlänge folgt eine weitere Schwierigkeit: es gibt für Elektronen
keine durchsichtigen Substanzen, wie es sie für Licht gibt, ein Elektronenstrahl
wird nur im Vakuum nicht gestreut. Deshalb ist hier bei der Herstellung
der Spalte nicht die Vereinfachung möglich, dass man sie auf einen
durchsichtigen Träger präpariert, wie es in der Lichtoptik z.
B. bei dem auf Glas geritzten Beugungsgitter der Fall ist, sondern man
muss ein Verfahren finden, das einem erlaubt, materiefreie Spalte in Metallfolien
herzustellen, deren Dimensionen so klein sind, dass sie noch intensiv
genug kohärent ausgeleuchtet werden können ...
Überträgt man die Dimensionen (des benutzten) Beugungsversuches
auf die Lichtoptik, so hätte man wegen der 105-fach größeren
Wellenlänge 5 cm breite Spalte mit einer Gitterkonstanten von 20
cm zu verwenden. Die Abstände zwischen Quelle und Spalten und Auffangebene
wären 30 bzw. 40 km und die Breite der Quelle müsste 5 mm sein.
In der Lichtoptik ist dieser Versuch aus Intensitätsgründen
nicht zu verwirklichen....
Es ist hervorzuheben, dass die Empfindlichkeit dieses Elektronenbeugungsgerätes
der eines Elektronenmikroskops mit 106-facher elektronenoptischer Vergrößerung
entspricht, d. h. es reagiert stark auf Spannungsschwankungen, Erschütterungen
und magnetische Störfelder. . . .
Zur Beobachtung der Interferenzerscheinungen von 50-kV-Elektronen an den
so hergestellten Spalten musste eine spezielle Beugungsanlage gebaut werden....
Mit dieser Anlage wurden Beugungsdiagramme an 1, 2, 3, 4 und 5 Spalten
aufgenommen.... Es konnte gezeigt werden, dass die von der Lichtoptik
her bekannten Beugungserscheinungen an mehreren Spalten in entsprechender
Weise auch mit Elektronen beobachtet werden können.