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Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen

Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice, Quantenradierer Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H 2 Quantenkryptographie

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Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen

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Presentation Transcript

  1. Inhalt • Atome als Quantenmechnische Teilchen • Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice, Quantenradierer • Doppelspaltversuche mit Teilchen: • Elektronen • Atome, Moleküle • Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission • Beispiel H2 • Quantenkryptographie • Lichtgitter • Atomspiegel • Wechselwirkung mit Atomen • Photon-Atom Wechselwirkung • Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, • Winkel- und Energieverteilungen • Doppelanregung, Interferenzeffekte • Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen • Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse • Atome in starken Laserfeldern • Multiphotonenionisation • Tunnelionisation • Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation • Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien • Ion-Atom Stöße • Elektronentransfer • Ionisation

  2. Deutung des Doppelspaltes I: Wo ist das Teilchen? Anfang: Teilchen lokalisiert Ende: Delokalisiert Keine Antwort auf “Which Way”

  3. http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/interfer/interfer.htmlhttp://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/interfer/interfer.html M. O. Scully and K. Drühl, Phys. Rev. A 25, 2208 (1982). M. O. Scully, B. G. Englert, and H. Walther, Nature London 351, 111 (1991)

  4. recht/links zirkular linear polarisiert Delayed Choice: no change!

  5. Hellmuth et al PRA35,2532 (1987)

  6. Wheeler, Delayed Choice: Does this result mean that present choice influences past dynamics, in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither; the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present. Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment, in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow, pp. 9-47, Academic Press, New York.

  7. Wheeler, Delayed Choice: Does this result mean that present choice influences past dynamics, in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither; the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present. Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment, in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow, pp. 9-47, Academic Press, New York.

  8. 1.2..Interferenz von Teilchen 1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2*10-10 m

  9. Feynman Lectures: "We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery." "We should say right away that you should not try to set up this experiment. This experiment has never been done in just this way. The trouble is that the apparatus would have to be made on an impossibly small scale to show the effects we are interested in. We are doing a "thought experiment", which we have chosen because it is easy to think about. We know the results that would be obtained because there are many experiments that have been done, in which the scale and the proportions have been chosen to show the effects we shall describe".

  10. 1.2..Interferenz von Teilchen 1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1957 Physics World Sept 2002 Top 10 beautiful experiments

  11. 1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2*10-10 m

  12. 1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Fresnel Biprisma reale Lichtquelle 2 kohärente Virtuelle Lichtquellen

  13. 1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Analogon zum Doppelspalt reale Lichtquelle

  14. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Elektronenquelle Faden+ 0.001 mm! - - Film • Extrem vibrationsarmer Aufbau • Sehr lokalisierte Elektronenquelle

  15. http://www.hqrd.hitachi.co.jp/em/doubleslit.cfm

  16. Particles (electrons or ions) which are emitted from a sharp tungsten tip (right)may pass a thin wire either on the left or right hand side. By applying a voltage to the wire the two beam parts overlap and interfere (left Keine Spannung: Schatten mit Beugung an Kante Mit Spannung: Interferenz http://www.ati.ac.at/~summweb/ifm/main.html

  17. 1.2..Interferenz von Teilchen 1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961 Claus Jönsson (Tübingen) Zeitschrift für Physik161 454 Möllenstedt&Düker ca 0.01mm kohärent ausgeleuchtet Jönsson: 0.001 mm Spaltbreite hergestellt (galvanisch)

  18. 1.2..Interferenz von Teilchen 1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961 50keV (5*10-12m) Entspricht Lichtoptik Wellenlänge 105 größer, 5cm Spalt, 20cm Spaltabstand, 40km Quelle-Spalt Spalt-Schirm (geht nicht wegen Intensität)

  19. Möllenstedt Düker 56 Jönnson 61 Wellenlänge 10-12m

  20. Inhalt • Atome als Quantenmechnische Teilchen • Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice • Doppelspaltversuche mit Teilchen: • Elektronen • Atome, Moleküle • Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission • Quanteneraser • Beispiel H2 • Lichtgitter • Atomspiegel • Wechselwirkung mit Atomen • Photon-Atom Wechselwirkung • Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, • Winkel- und Energieverteilungen • Doppelanregung, Interferenzeffekte • Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen • Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse • Atome in starken Laserfeldern • Multiphotonenionisation • Tunnelionisation • Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation • Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien • Ion-Atom Stöße • Elektronentransfer • Ionisation

  21. 1.2.3. Doppelspaltexperiment mit Atomen Otto Stern: 1914-1921 Frankfurt Stern Frisch Estermann (1931) Reflexion von He Atomstrahlen an LiF Kristall

  22. Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent 1mm 8mm • Monochromatisch?? • Wellenlänge?? • Warum He* Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

  23. 30m Loch Hochdruck (30bar) Vakuum (10-6mbar)

  24. 300K Überschallexpansion T=300K (5kTm)1/2

  25. Detektoren für niederenergie Teilchen Warum He* ? Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent 1mm 8mm λ = 0.47 Å • Monochromatisch?? • Wellenlänge?? • Warum He* Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

  26. Microchannel Plates

  27. Helium Termschema Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen ms=+1 ms=0 Gesamtspin 0 Gesamtspin 1 ms=-1 Grundzustand: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2 n2=1, l2=0, ml2=0, ms2=-1/2 Multiplizität (2S+1): Einstellmöglichkeiten des Gesamtspins im äusseren Feld Spin 0 -> Multiplizität 0 “Singulett” Spin 1 -> Multiplizität 3 “Triplett”

  28. 19.3. Helium Termschema Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen Gesamtdrehimpuls j n des höchsten Elektrons Gesamtbahndrehimpuls L L=0 -> S L=1 -> P L=2 -> D Multiplizität (2S+1) Grundzustand: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2 n2=1, l2=0, ml2=0, ms2=-1/2 Notation: Grundzustand 11S0 “erster Singulett S 0 Zustand”

  29. Lebensdauer: 0.5 10-9s 19.6ms 7870s (!) Beispiel: 3D2,1,0 Elektron 1: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2 Elektron 2: n2=3, l2=2, ml2=0,§1,§2, ms2=+1/2 (1s)1(3d)1 • Keine Übergänge • mit Spinflip Termschema Haken Wolf Warum sind die Lebensdauern so lang? Vgl Umlaufdauer

  30. Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent l = 0.47 Å 1mm 8mm Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

  31. Experiment: T. Pfau (Stuttgart)

  32. Was passiert wenn die Teilchen die Grösse der Schlitze haben? Details hängen von der Form der Schlitze ab. Auch für Wasserwellen ist die Überlagerung 2er Kugelwellen eine Idealisierung. Reibung, Viskosität, Wirbel etc spielen eine Rolle!

  33. Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Gitter

  34. Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Gitter Toennies & Grisenti

  35. Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Gitter Toennies & Grisenti

  36. Welche Erklärung stimmt: Unschärfe (Bohr vs Einstein) oder Verschränkung? Verschränkung ist fundamentaler als Unschärfe Fazit: Interferenz wird zerstört durch which way information which way information wird via Verschränkung auf ein anderes Quantemechanisches System gekoppelt Wenn dies in Ort und Impuls geschieht hat man das Unschärfeargument

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