Einführung in die Chemie

Lernziel

Erörtern Sie, wie Wellenbewegung entsteht und welche Eigenschaften sie messbar macht, die Zusammenhänge des Young’schen Doppelspaltexperiments beachten

Schlüsselpunkte

Wellenbewegung entsteht, wenn sich eine periodische Störung durch ein elastisches Medium ausbreitet. Druckschwankungen in der Luft, Querbewegungen entlang einer Gitarrensaite oder Schwankungen in der Intensität der lokalen elektrischen und magnetischen Felder im Raum, die als elektromagnetische Strahlung bekannt sind, sind alles Beispiele für Wellen.
Es gibt drei messbare Eigenschaften der Wellenbewegung: Amplitude, Wellenlänge und Frequenz.
Ein entscheidendes Experiment war das Young’sche Doppelspaltexperiment, das zeigte, dass Licht, das durch zwei Schlitze in einem Schirm fällt, ein Interferenzmuster zeigt, das für Lichtwellen und nicht für Teilchen charakteristisch ist.
Die Phase, die mit einer Welle verbunden ist, ist auch wichtig, um bestimmte Phänomene zu beschreiben.
Die Geschwindigkeit einer Welle ist das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz.

Begriffe

AmplitudeDer maximale Wert der Variablen, der in einer der beiden Richtungen erreicht wird.
WelleEine Form, die abwechselnd zwischen einem Maximum in zwei entgegengesetzten Richtungen schwankt.
FrequenzDie Anzahl der Schwingungen pro Sekunde.
WellenlängeDie von der Welle in einer vollen Periode zurückgelegte Strecke (1/Frequenz).

In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf die wellenartigen Eigenschaften von Licht. Während Sie später etwas über den Welle/Teilchen-Dualismus lernen werden (wie sich Licht gleichzeitig als Welle und als Teilchen verhält), werden wir hier die Wellennatur des Lichts und die experimentellen Auswirkungen dieses Verhaltens diskutieren.

Einführung in die Wellenbewegung

Wellenbewegung entsteht, wenn sich eine periodische Störung irgendeiner Art durch ein Medium ausbreitet. Druckschwankungen in der Luft, Querbewegungen entlang einer Gitarrensaite oder Schwankungen in der Intensität der lokalen elektrischen und magnetischen Felder im Raum, die die elektromagnetische Strahlung ausmachen, sind alles typische Beispiele für Wellenbewegung. Für jedes Medium gibt es eine charakteristische Geschwindigkeit, mit der sich die Störung ausbreitet.

SinuswelleDieses Bild zeigt die Anatomie einer Sinuskurve: Der Scheitelpunkt ist die Spitze jeder Welle und das Tal ist das Tal; die Amplitude ist der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt und der x-Achse; und die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei Scheitelpunkten (oder zwei Tälern).

Es gibt drei messbare Eigenschaften der Wellenbewegung: Amplitude, Wellenlänge und Frequenz (die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde). Das Verhältnis zwischen der Wellenlänge λ (griechisch lambda) und der Frequenz einer Welle ν (griechisch nu) wird durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit v bestimmt, so dass

v=\nu \lambda

Für Licht wird diese Gleichung zu

\nu = \frac{c}{\lambda}

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, 2,998 x 108 m/s.

Wenn man diese Gleichungen verwendet, um Wellenlänge, Frequenz oder Geschwindigkeit durch Manipulation der Gleichung zu bestimmen, ist es wichtig zu beachten, dass Wellenlängen in Längeneinheiten wie Meter, Zentimeter, Nanometer usw. ausgedrückt werden; und die Frequenz wird normalerweise in Megahertz oder Hertz (s-1) ausgedrückt.

Beispiel

Wie groß ist die Wellenlänge des Tons A = 440 hz, wenn er sich durch Luft ausbreitet, in der die Schallgeschwindigkeit 343 m s-1 beträgt?

λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m

Young’s Double-Slit Experiment

Im frühen 19. Jahrhundert führte der englische Wissenschaftler Thomas Young das berühmte Doppelspaltexperiment (auch bekannt als Young’s Experiment) durch, das zeigte, dass ein Lichtstrahl, wenn er in zwei Strahlen aufgespalten und dann wieder zusammengeführt wird, Interferenzeffekte zeigt, die nur durch die Annahme erklärt werden können, dass Licht eine wellenförmige Störung ist. Wenn das Licht ausschließlich aus gewöhnlichen oder klassischen Teilchen bestünde und diese Teilchen in einer geraden Linie durch einen Spalt geschossen würden und auf der anderen Seite auf einen Schirm treffen würden, würde man erwarten, ein Muster zu sehen, das der Größe und Form des Spaltes entspricht. Wenn dieses Einspaltexperiment jedoch tatsächlich durchgeführt wird, ist das Muster auf dem Schirm ein Beugungsmuster, bei dem das Licht gestreut wird. Je kleiner der Spalt ist, desto größer ist der Streuungswinkel.

Young’s DoppelspaltexperimentWäre das Licht ein reines Teilchen, würde es das hier gezeigte Interferenzmuster nicht zeigen.

Wenn das Licht ausschließlich aus klassischen Teilchen bestünde und wir zwei parallele Schlitze beleuchten würden, wäre das erwartete Muster auf dem Bildschirm einfach die Summe der beiden Einzelspaltmuster. Tatsächlich aber ändert sich das Muster in eines mit einer Reihe von abwechselnd hellen und dunklen Streifen. Als Thomas Young dieses Phänomen erstmals demonstrierte, deutete dies darauf hin, dass Licht aus Wellen besteht, da die Helligkeitsverteilung durch die abwechselnd additive und subtraktive Interferenz von Wellenfronten erklärt werden kann. Youngs Experiment, das Anfang des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurde, spielte eine entscheidende Rolle bei der Akzeptanz der Wellentheorie des Lichts und löste die von Isaac Newton vorgeschlagene Korpuskular-Theorie des Lichts ab, die im 17. und 18. Fast ein Jahrhundert später, im Jahr 1905, wies Albert Einstein mit seinen nobelpreisgekrönten Forschungen über den photoelektrischen Effekt nach, dass sich Licht unter bestimmten Bedingungen so verhalten kann, als bestünde es aus einzelnen Teilchen. Diese scheinbar widersprüchlichen Entdeckungen machten es notwendig, über die klassische Physik hinauszugehen und die Quantennatur des Lichts zu berücksichtigen.