Föreläsning 2 Youngs dubbelspaltexperiment Feynmans dubbelspaltexperiment De Broglie-vågor Ultraviolett katastrof Våg-partikeldualitet Materialet svarar mot kap. 1.1 - 1.8 i The Feynman Lectures Vol III samt stenciler om ultravioletta katastrofen.

Youngs dubbelspaltexperiment monokromatisk plan våg, t.ex. laser Optisk skärm Skärm med dubbelspalt Betrakta en koherent och monokromatisk plan våg (t.ex. ljus). Vågen träffar en dubbelspalt: Varje spalt är ung. en källa till cirkulära vågor som interfererar med varandra. Konstruktiv ( ) och destruktiv ( ) interferens led till ljusa och mörka fransa på en skärm som ligger ett (stort) avstånd från spalterna.

Destruktiv interferens P S1 d q q S2 Ritningen är inte skalenlig D >> l P S1 S2

Konstruktiv interferens P S1 d q q S2 Ritningen är inte skalenlig D >> l P S1 S2

Vad är en partikel ? Tre elektroner som slår igenom en detektor

Sammanfattning av dubbelspaltexperimentet för vågor Ritningen är inte skalenlig

Dubbelspaltexperiment med kular detektor pistol P2 S2 P12=P1+P2

Dubbelspaltexperiment med elektroner detektor elektronkälla S2 P2 P12=P1+P2

Vågor i kvantfysik Vågor

Är elektronen en våg eller en partikel ? Ett diffraktionsmönster från en vattenvåg är kontinuerlig. Vågen passerar genom ”båda” spalter. Ett diffraktionsmönster från en elektron byggs gradvis upp från individuella elektroner som träffar detektorn. Detta innebär att en elektron ”måste” passera genom endast en spalt ! Men interferensmönstet kan bara förstås om: En elektron i rörelse beter sig som en våg och passerar genom båda spalter men en elektron beter sig som en partikel när det träffar en detektor. tid

Att förstå f

Att försöka identifiera spalten elektronen passerar genom. elektronkälla detektor

Är elektronen en partikel eller en våg En elektron rör sig som en våg men beter sig som en partikel när den träffar en detektor Diffraktionsmönstret uppvisar våg-beteende. Det är nonsens att ställa frågan: Vilken spalt passerar en våg genom ? En våg passerar genom båda spalter. Om en elektron betraktas som en våg måste den (på något sätt vi inte kan föreställa oss) passerar genom båda spalter! Att försöka identifiera spalten innebär att elektronen blir tvungen att bete sig om en partikel och inte en våg. Diffraktionsmönstret blir förstört och kvantfysiken ”skyddas”. Detta är ett exempel på Heisenbergs osäkerhetsprincip (föreläsning 3).

Vidare implikationer

Vågor och partiklar Våg-partikeldualitet Komplementaritetsprincipen I vissa situationer behöver man en ”partikel”-bild eller en ”våg”-bild men aldrig båda bilder. T.ex. … vi försökte använda en partikelbild för att förstå elektrondiffraktion från en dubbelspalt men det visade det sig att naturen inte tillåter oss att ta reda på vilken spalt en elektron passerar genom utan att förstöra diffraktionsmönstret.

”Interferensmönstret” från kulor

Problem 0.05m q l screen

Ljus Partiklar (t.ex. elektroner) beter sig som en våg när de rör sig och de beter sig som partiklar när de träffar en detektor/mäts. Ljuset visar partikel och vågegenskaper på ett liknande sätt.

Ultravioletta kastrofen Observerat spektrum/Plancks lag I(l) Rayleigh Jeans-lag ultraviolet Infraröd Synlig l

Ultravioletta katastrofen

Ljuset från en svartkropp vågfront partiklar (fotoner) E=hf svartkropp svartkropp

Sammanfatting Diffraktionsmönster från dubbelspaltexperiment visar att elektroner rör sig som vågor men mäts som partiklar sannolikhetsamplitud och sannolikheten Man kan aldrig förutsäga banan av en enskild partikel Vågpartikel-dualitet och komplementaritetsprincipen Ljuset visar också ”partikel”- och ”våg”-beteende