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De-Broglie-Wellenlänge von Materiewellen

De-Broglie-Wellenlänge
Level 2 (ohne höhere Mathematik)
Level 2 setzt Schulmathematik voraus. Geeignet für Schüler.
Aktualisiert von Alexander Fufaev am
Inhaltsverzeichnis
  1. Welle-Teilchen-Dualismus Hier wird die Materiewellenlänge motiviert.
  2. Materiewellenlänge von Teilchen Hier wird die Materiewellenlänge für ein Teilchen erklärt.
  3. Klassisches Gas vs. Quantengas Hier wird die Materiewellenlänge mithilfe der Temperatur ausgedrückt und dazu benutzt, um das Verhalten eines Gases vorherzusagen.
  4. Teilchen im elektrischen Feld Hier wird die Materiewellenlänge mithilfe der Spannung ausgedrückt.
  5. De-Broglie-Wellenlänge von relativistischen Teilchen Hier wird die Materiewellenlänge für Teilchen umgeschrieben, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Video - De-Broglie-Wellenlänge (Materiewelle) in 5 Minuten einfach erklärt!

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Welle-Teilchen-Dualismus

Photonen mit unterschiedlicher Frequenz
Vier Lichtteilchen (Photonen) unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlänge.

Nachdem Albert Einstein den photoelektrischen Effekt erklärt hat, indem er angenommen hat, dass das Licht aus Teilchen (Photonen) besteht, kam Louis de-Broglie (ausgesprochen: de-broi) auf eine ähnliche Idee. Er dachte sich: Wenn es möglich war, dem wellenartigen Licht einen Teilchencharakter zuzuweisen, dann spricht es erstmal nichts dagegen, einer teilchenartigen Punktmasse einen Wellencharakter zuzuweisen.

Und diese Annahme wurde tatsächlich experimentell nachgewiesen (z.B. beim Davisson-Germer-Experiment) und wird heutzutage beispielsweise bei der Elektronenbeugung ausgenutzt. So wie das Licht, sind auch die Elektronen in der Lage ein Interferenzmuster beim Doppelspalt-Experiment zu erzeugen.

Diese Feststellung, dass Licht und Materie sich je nach Situation wellenartig und teilchenartig verhalten können, wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

Materiewellenlänge von Teilchen

Ein Photon der Wellenlänge \( \lambda \) hat den folgenden Impuls:

Formel: Impuls eines Photons
Anker zu dieser Formel

Hierbei ist \(h\) das Wirkungsquantum, eine Naturkonstante mit dem Wert:

Wert der Planck-Konstante

Analog kann einem massebehafteten Teilchen, das einen Impuls \(p\) hat, eine Wellenlänge zugeordnet werden. Dazu wird 1 nach der Wellenlänge umgestellt:

Materiewellenlänge ist Planck-Konstante dividiert durch Impuls
Anker zu dieser Formel
De-Broglie-Wellenlänge
Ein Teilchen als Welle betrachtet, mit der zugehörigen de-Broglie-Wellenlänge.

Der Impuls \(p\) eines klassischen Teilchens ist definiert als das Produkt der Masse \(m\) des Teilchens und seiner Geschwindigkeit \(v\), also: \( p = m \, v \). Den Impuls setzen wir in 2 ein und interpretieren die Wellenlänge \(\lambda\) als die de-Broglie-Wellenlänge eines Teilchens:

Anker zu dieser Formel

Aus der Beziehung 3 kannst du herauslesen, dass schnelle + schwere Teilchen (großer Impuls) eine kürzere de-Broglie-Wellenlänge haben als langsame + leichte Teilchen (kleiner Impuls).

Wenn die Geschwindigkeit \(v\) des Teilchens und damit der Impuls des Teilchens gegen Null geht (ein Teilchen ohne Impuls ist ein ruhendes Teilchen), dann wird die de-Broglie-Wellenlänge sehr groß. Physikalisch bedeutet es wiederum, dass das Teilchen, beispielsweise in einem Metall, über die ganze Metallprobe "verschmiert" ist. Interferenzphänomene zwischen mehreren Teilchenwellen im Metall werden nicht mehr vernachlässigbar. Das Teilchen zeigt seinen Wellencharakter und verhält sich eher quantenmechanisch.

Bei einer großen Geschwindigkeit und großer Masse des Teilchens, ist die de-Broglie-Wellenlänge vernachlässigbar klein. Das Teilchen verhält sich wie ein echtes klassisches Teilchen und kann mit der klassischen Mechanik beschrieben werden. Quanteneffekte, wie die Teilcheninterferenz, spielen hier keine Rolle.

Wofür ist die de-Broglie-Wellenlänge gut?

Mithilfe der de-Broglie-Wellenlänge kannst du (z.B. in einem Experiment) abschätzen, ob ein Objekt sich eher wellenartig oder teilchenartig verhalten wird.

Beispiel: Ein Elektron im Metall

In einem Metall existieren freie Elektronen (man bezeichnet sie zusammen auch als Elektronengas), die bei Zimmertemperatur eine thermische Geschwindigkeit von \( v \approx 10^6 \, \frac{\mathrm m}{\mathrm s}\) haben. Mit thermisch ist gemeint, dass die Elektronen im Metall sich ungerichtet bewegen. Nach einem Stoß mit einem Metallatom bewegt es sich in die eine Richtung. Nach dem anderen Stoß in die andere Richtung. Mit einer Ruhemasse von \( m_{\text e} = 9.1 \cdot 10^{-31} \, \mathrm{kg} \) wird die de-Broglie-Wellenlänge eines freien Elektrons zu:

Beispielrechnung: de-Broglie-Wellenlänge

Das ist eine Materiewellenlänge von \( 0.72 \, \mathrm{nm} \). Zum Vergleich: Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix ist in der Größenordnung \( 2 \, \mathrm{nm} \).

Klassisches Gas vs. Quantengas

Ein Teilchen der Masse \(m\), das sich mit der Geschwindigkeit \(v\) bewegt, besitzt eine kinetische Energie:

Formel: Klassische kinetische Energie
Anker zu dieser Formel

Betrachte ein Gas in einem sogenannten thermodynamischen Gleichgewicht, also ein Sammelsurium von herumfliegenden, nicht gebundenen Teilchen einer konstanten Temperatur \(T\). Jedem Gasteilchen lässt sich nach der Thermodynamik folgende mittlere kinetische Energie zuordnen:

Formel: Mittlere kinetische Energie eines Gases
Anker zu dieser Formel

Hierbei ist \( k_{\text B} = 1.38 \cdot 10^{-23} \, \frac{\mathrm J}{\mathrm K}\) die Boltzmann-Konstante und \(T\) die Temperatur des betrachteten Gases.

Setze 4 und 5 gleich und stelle das Ergebnis nach der Geschwinigkeit \(v\) um:

Mittlere Geschwindigkeit der Gasteilchen
Anker zu dieser Formel

Ist dir die Masse \(m\) des Gasteilchens und die Temperatur \(T\) des Gases bekannt, so kannst du Gl. 6 in die de-Broglie-Beziehung 3 für Geschwindigkeit einsetzen, um die de-Broglie-Wellenlänge mittels Temperatur auszudrücken:

De-Broglie-Wellenlänge eines Gasteilchens mittels Temperatur
Anker zu dieser Formel

Mithilfe der de-Broglie-Wellenlänge 7 lässt sich abschätzen, ob ein Gas sich eher klassisch oder quantenmechanisch verhält.

  • Ein Gas, das aus leichten Gasteilchen besteht und möglichst kalt ist, tendiert eher zu einem Quantengas. Dieses gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik.

  • Ein Gas, das aus schweren Gasteilchen besteht und möglichst heiß ist, tendiert eher zu einem klassischen Gas. Dieses gehorcht den Gesetzen der klassischen Mechanik und der Thermodynamik.

Beispiel: Heliumgas

Ein Helium-Atom hat die Masse \( m = 4u = 6.64 \cdot 10^{-27} \, \mathrm{kg} \). Wenn das Heliumgas eine Temperatur von \( 300 \, \mathrm{K}\) (Zimmertemperatur) hat, dann hat ein Helium-Atom in diesem Gas die folgende de-Broglie-Wellenlänge:

Beispielrechnung: De-Broglie-Wellenlänge mittels Temperatur

Das ist eine Materiewellenlänge von \( \lambda = 73 \, \mathrm{pm} \) (Pikometer). Zum Vergleich: Ein Helium-Atom ist ungefähr \( 30 \, \mathrm{pm} \) groß.

Bei einem sehr kalten Heliumgas (\( T = 0.1\,\mathrm{K} \)) ist die de-Broglie-Wellenlänge größer: \( \lambda = 4 \, \mathrm{nm} \).

Teilchen im elektrischen Feld

Neben der Temperatur, kann auch ein elektrisches Feld dazu benutzt werden, um die de-Broglie-Wellenlänge eines Teilchens zu verändern. Beachte jedoch, dass nur elektrisch geladene Teilchen im elektrischen Feld beschleunigt werden können (z.B. Elektronen, Ionen). Ungeladene Teilchen (Neutronen, Helium-Atome) sind dafür ungeeignet.

Kraft auf eine positive Ladung im E-Feld eines Plattenkondensators
Visier das Bild an! Illustration bekommen
Eine positive Ladung wird zur positiven Platte beschleunigt und gewinnt dadurch kinetische Energie.

Betrachte ein elektrisch positiv geladenes Teilchen mit der Ladung \(q\) in einem elektrischen Feld. Zum Beispiel im homogenen Feld eines Plattenkondensators. Das E-Feld wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung \(U\) zwischen den beiden Platten erzeugt.

Wird nun ein ruhendes positiv geladenes Teilchen an der positiv geladenen Platte platziert, dann erfährt es eine Kraft \(F\) zur negativen Platte hin. Dadurch wird das Teilchen beschleunigt, die Geschwindigkeit nimmt zu und damit auch die kinetische Energie. Sobald das positive Teilchen an der negativen Platte ankommt, hat es seine potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Seine kinetische Energie beträgt in diesem Fall:

Kinetische Energie ist gleich Ladung mal Spannung
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Setze die kinetische Energie 4 mit 8 gleich und stelle das Ergebnis nach der Geschwindigkeit \(v\) um:

Geschwindigkeit des Gasteilchens mittels Spannung
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Mit 9 kannst du die Geschwindigkeit eines Teilchens herausfinden. Diese kannst du in die de-Broglie-Beziehung 3 einsetzen, um die de-Broglie-Wellenlänge des geladenen Teilchens zu bestimmen:

De-Broglie-Wellenlänge mittels Spannung
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Beispiel: Elektron beschleunigen

Ein ruhendes Elektron mit der Elementarladung \( |q| = 1.6 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C} \) und der Ruhemasse \( m_{\text e} = 9.1 \cdot 10^{-31} \, \mathrm{kg} \), durchläuft eine Spannung von \( U = 1 \, \mathrm{kV} \) (Kilovolt). Damit wird seine de-Broglie-Wellenlänge zu:

Beispielrechnung: De-Broglie-Wellenlänge mittels Spannung

Das ist eine Materiewellenlänge von \( 38.7 \, \mathrm{pm} \). Wenn das Elektron dagegen nur eine Spannung von \( U = 1\,\mathrm{V}\) durchläuft, ist seine de-Broglie-Wellenlänge größer und beträgt dann \( 1.2 \, \mathrm{nm} \).

De-Broglie-Wellenlänge von relativistischen Teilchen

Wird die Geschwindigkeit eines Teilchens groß, indem es beispielsweise eine sehr große Spannung durchläuft oder das Gas indem es sich befindet, stark erhitzt wird, dann dürfen relativistische Effekte nicht mehr vernachlässigt werden. Beachte, dass die de-Broglie-Beziehung 3 nicht-relativistisch ist. Das heißt: Sie funktioniert nur, wenn das Teilchen eine Geschwindigkeit hat, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit \( c = 3 \cdot 10^8 \, \frac{\mathrm m}{\mathrm s} \) sehr klein ist.

Eine thermische Geschwindigkeit in der Größenordnung von \( v = 10^3 \, \frac{\mathrm m}{\mathrm s}\) ist aus der menschlichen Sicht sehr hoch. Sie beträgt aber gerade mal 0.0003% der Lichtgeschwindigkeit! Also eine eher nicht-relativistische Geschwindigkeit. Ein heißes Elektronengas mit einer mittleren Geschwindigkeit von \( v = 10^6 \, \frac{\mathrm m}{\mathrm s}\) beträgt auch nur gerade mal 0.3% der Lichtgeschwindigkeit.

Je näher sich das Teilchen der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto ungenauer wird seine mit 3 berechnete de-Broglie-Wellenlänge. Um auch die de-Broglie-Wellenlänge von "lichtschnellen" Teilchen berechnen zu können, wandeln wir 3 in eine relativistische Formel um.

Für \( v \approx c\) gilt die folgende Energie-Impuls-Beziehung (das ist ein Ergebnis der speziellen Relativitätstheorie):

Relativistische Energie-Impuls-Beziehung
Anker zu dieser Formel

Hierbei ist \( W \) die Energie, \(p\) der Impuls des Teilchens und \(m_0\) seine Ruhemasse.

Machen wir nun eine Näherung. Für Teilchen mit einem sehr großen Impuls \(p\) wird die Ruheenergie \( m_0 \, c^2 \) des Teilchens vernachlässigbar klein im Vergleich zu seiner Bewegungsenergie \(p \, c\). Damit vereinfacht sich 11 zu:

Energie ist gleich Impuls mal Lichtgeschwindigkeit
Anker zu dieser Formel

Hier haben wir lediglich \( m_0 \, c^2 = 0 \) gesetzt und Wurzel in 11 gezogen. 12 eingesetzt in 2 ergibt:

Relativistische de-Broglie-Wellenlänge
Anker zu dieser Formel

Wenn du 13 nach der Energie \(W\) umstellst und mittels \( c = \lambda \, f \) die Wellenlänge mit der Frequenz \(f\) ersetzt, bekommst du genau die von Albert Einstein postulierte Energie eines Photons: \( W = h\, f\). Diese gilt auch für relativistische Teilchen.

Beispiel: Proton im LHC-Ring
LHC-Ring (Teilchenbeschleuniger)
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Zwei Protonen-Pakete prallen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit aufeinander.

Ein Proton aus dem LHC-Teilchenbeschleuniger am CERN wird auf eine Energie von \( 7 \, \mathrm{TeV}\) (Teraelektronenvolt) beschleunigt. Das entspricht: \(W = 1.12 \cdot 10^{-6} \, \mathrm{J}\). Mithilfe von 13 kannst du ihre relativistische de-Broglie-Wellenlänge berechnen:

Beispielrechnung: Relativistische De-Broglie-Wellenlänge

Das ist eine sehr kurze Materiewellenlänge. Der Wellencharakter des Protons im LHC-Ring spielt keine Rolle. Es verhält sich wie ein Teilchen.