Interferenz am Doppelspalt
Das wird besonders deutlich, wenn man das Verhalten makroskopischer Objekte
mit denen von Quantenobjekten vergleicht (Bild 2). Wenn man hinreichend
häufig mit einer Pistole durch einen Doppelspalt feuert, erwartet
man eine Verteilung, wie sie in Bild 2 dargestellt ist. Führt man
aber analoge Versuche mit Elektronen oder anderen Quantenobjekten durch,
dann erhält man eine Verteilung, wie man sie aus Interferenzversuchen
mit Licht kennt (Bild 1). Alle diesbezüglichen Untersuchungen mit
Quantenobjekten haben ergeben:
Bei Quantenobjekten kann Interferenz auftreten. Solche Interferenzen sind
im Teilchenmodell nicht beschreibbar. Zur Interferenz von Elektronen sind
unter dem Stichwort "Elektronenbeugung"
genauere Informationen auf der CD zu finden.
Interferenz am Einzelspalt
Wenn man Quantenobjekte durch einen Einzelspalt schickt, beobachtet man
ein Interferenzmuster.
Je breiter der Spalt, umso dichter ist das Interferenzmuster.
Das unterste Muster in Bild 3 gehört deshalb zu dem engsten Spalt.
Wenn der Spalt extrem eng ist, bekommt man ein Interferenzmuster, das
für alle x praktisch die gleiche Intensität
hat.
Für jede der gedachten Möglichkeiten wird ein Zeiger ermittelt.
Wenn wir uns 10 Punkte im Spalt denken, über die das Quantenobjekt
den Punkt x erreichen könnte, erhalten
wir 10 Zeiger, die addiert werden müssen. Tatsächlich sind es
natürlich sehr viele (unendlich viele) Punkte, die man berücksichtigen
muss. Um diese noch zeichnen zu können, wird die Länge der Zeiger
entsprechend verkleinert. So bekommt man eine Schlange von unendlich vielen
Punkten (Bild 4 unten rechts).
Die Beschreibung des Interferenzmusters kann mit der Zeigerschlange erfolgen
(Bild 5). Je weiter der Detektionsort x von
der optischen Achse entfernt ist, umso größer ist der Gangunterschied
zwischen erstem und letztem Zeiger der Zeigerschlange. So ergeben sich
die verschieden stark aufgerollten Zeiger in der Abbildung. Die Quadrate
der Summenzeiger reproduzieren dann das beobachtete Interferenzmuster.
Für die Zeigerschlange für einen engeren Spalt gilt: Wenn der Spalt nur halb so breit ist wie in Bild 4, so ist auch die Zeigerschlange nur halb so gekrümmt. Dementsprechend ist das Interferenzmuster auch weiter gedehnt (siehe Bild 3 unten).
Fullerenenbeugung
Fullerene sind Kohlenstoffmoleküle
mit Fußballstruktur (Bild 7). Nach der Quantentheorie sollten alle
Körper Interferenzeffekte zeigen, wenn sie nicht zu viele Freiheitsgrade
haben und gut von der Umgebung isoliert sind. Verglichen mit einem Elektron
ist ein Fulleren bereits ein sehr großes und komplexes System mit
vielen Freiheitsgraden. Sein Durchmesser beträgt etwa 1 nm. Fullerenmoleküle
bestehen aus 60 oder 70 Kohlenstoffatomen. Sie wurden 1987 bei Untersuchungen
zum Aufbau der interstellaren Materie entdeckt.
Um den räumlichen Aufbau besser zu sehen, stellt man die Atome durch
Punkte und die Bindungen durch Linien dar. Man erhält so ein Gebilde,
das wie ein Fußball aussieht. Deshalb nennt man die Fullerene gelegentlich
auch "Fußball-Moleküle". Sie sind innen hohl. Wenn
bei ihrer Entstehung Metallatome in der Nähe sind, wird jeweils eines
davon in ihrem Inneren eingelagert.
Anwendungen von Fullerenen erhofft man sich in Medizin und Technik (z.B.
in der Aidsforschung, in der Supraleitungs- und Nanotechnologie).
Auf dem Interferenzbild (Bild 8) ist nach oben die Anzahl der nachgewiesenen
Atome aufgetragen. Erst wenn man eine größere Anzahl von Atomen
bei verschiedenen Detektorpositionen nachgewiesen hat, ergibt sich das
Muster. Man sieht dennoch immer noch die statistischen Abweichungen aufgrund
des statistischen Verhaltens der Quantenobjekte.