Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Experimentelle Überprüfung des Welle-Teilchen-Dualismus mit Photonen


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von Christoph E. (stoppi)


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Hallo!

Ich möchte kurz mein aktuellstes Projekt vorstellen. Und zwar behandelt 
es den Welle-Teilchen-Dualismus anhand von Photonen. Diese werden 
mittels Photomultiplier (Hamamatsu 5773) einzeln detektiert, ergeben 
aber hinter einem Beugungsgitter (80 Linien/mm) ein schönes 
Interferenzmuster. Fast 3 Maxima sind im Graph der Zählraten zu sehen...

Photonen sind also beides, sowohl Teilchen, als auch Welle ;-)

Das Gehäuse habe ich deshalb mit Klebeband abdecken müssen, weil es 
lichtdurchlässig war. Habe ich mit einer Taschenlampe von außen gegen 
das Gehäuse geleuchtet, so stieg die Zählrate des Photomultipliers stark 
an.

Anstelle des Gitters habe ich es zuerst mit einem Einfachspalt bestehend 
aus 2 Rasierklingen probiert. Da war leider das Maximum 0ter Ordnung im 
Vergleich zu den höheren Ordnungen zu dominant, bzw. haben sich die 
Maxima höherer Ordnung vom Hintergrund kaum noch abgehoben. Mit Gitter 
funktioniert es aber sehr gut.

Zur Abschwächung des Lasers (5mW, grüner 532nm DPSS) verwende ich 
insgesamt 3 Stück Neutraldichtefilter (Kodak Wratten Nr. 96). 2 mal ND 
4.0 und 1 mal ND 1.0. Die Gesamtabschwächung beträgt somit 10^-9!

Hier noch der Link zum Video: 
https://www.youtube.com/watch?v=9ZaDhGMfNkU

: Bearbeitet durch User
von M.A. S. (mse2)


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Christoph E. schrieb:
> Photonen sind also beides, sowohl Teilchen, als auch Welle ;-)

@TO:
Meiner Anschauung nach sind sie weder noch, aber egal:
ich finde es cool, dass sich jemand mit sowas praktisch beschäftigt.
Machst Du das nur als Hobby oder hast Du einen Lehrauftrag (sprich: bist 
Du Lehrer an einer Schule)?


@Comunity:
Ich stelle mir gerade einen gewissen Herrn vor, der, sollte er das 
lesen, wie Rumpelstilzchen in seiner Kammer herumhopsen und laut vor 
sich hinfluchen wird: "es gibt keine Photonen, es gibt keine Photonen, 
Du kannst keine herzeigen, noch nie ist eines über eine Strecke 
gelaufen...!"
:D

PS:
nochmal @TO: Falls Du nicht weißt, was mein letzter Absatz zu bedeuten 
hat: das ist hier im Forum für alteingesessene ein Insider.   ;)
Bitte verzeih, ich konnte nicht widerstehen!

: Bearbeitet durch User
von René H. (Gast)


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Sehr schönes Projekt.

@M.A. S. Gibts den noch? Hab schon lange nichts mehr von ihm gelesen.

Grüsse,
René

Beitrag #5610959 wurde von einem Moderator gelöscht.
von M.A. S. (mse2)


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René H. schrieb:
> @M.A. S. Gibts den noch? Hab schon lange nichts mehr von ihm gelesen.
>
> Grüsse,
> René

Hier im Forum nicht, zumindest nicht als Kritiker der modernen Physik, 
weil er, wenn er es hier versucht, moderantionsseitig gestoppt wird.

Aber hier:
https://www.expertenaustausch.com/sci-physik/

...tritt er fulminater auf, als er es hier je getan hat.

von M.A. S. (mse2)


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Christoph E. schrieb:
> Photonen sind also beides, sowohl Teilchen, als auch Welle ;-)

Nun erlaube ich mir noch etwas Kritik an dem Projekt:
Was genau soll es eigentlich zeigen?
Wollte man zeigen, dass Licht sich wellenartig ausbreitet (also Beugung 
und Interferenz zeigt) aber danach hinter dem Gitter zu einer Zeit nur 
an einem Punkt mit Materie wechselwirkt und nicht überall (in allen 
Maxima des Interferenzmusters gleichzeitig), so reicht leider ein 
Lichtsensor an einer Stelle nicht aus sondern man müsste den gesamten 
Bereich parallel scannen.

von Christoph E. (stoppi)


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Es ging/geht mir darum zu zeigen, dass man Licht lokal und diskret 
detektieren kann wie es bei einem Teilchen zu erwarten wäre (bei einer 
Welle würde ich ja durchgehend ein kontinuierliches Signal am Empfänger 
erhalten), es aber dennoch zu Interferenzerscheinungen wie bei einer 
Welle kommt. Aber ich verstehe, was du meinst M.A.S.

Das "Besondere" an meinem Aufbau ist also wie gesagt der Einzelnachweis 
der Photonen. Wenn's mir nur um das Interferenzmuster gegangen wäre, 
hätte ich auch mit einer Photodiode hinter dem Gitter scannen und die 
Spannung in Abhängigkeit von der Position messen können. Das würde dann 
aber auch mit einer reinen Welle zu erklären sein...

: Bearbeitet durch User
von U. B. (pasewalker)


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> Diese (Photonen) werden
> mittels Photomultiplier (Hamamatsu 5773) einzeln detektiert, ...
                                           *******

Das wollte ich schon immer bestätigt wissen:
Wenn also ein EINZELNES Photon durch ein Strichgitter (o.ä.)
geschickt wird, dann landet es genau an EINER Stelle.

An welcher Stelle, ist aber unbestimmt; mittels dem Wellenmodell kann
man die statistische Verteilung bei "vielen" Photonen angeben.  (?)

von M.A. S. (mse2)


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Christoph E. schrieb:
> Wenn's mir nur um das Interferenzmuster gegangen wäre,
> hätte ich auch mit einer Photodiode hinter dem Gitter scannen und die
> Spannung in Abhängigkeit von der Position messen können. Das würde dann
> aber auch mit einer reinen Welle zu erklären sein...

Völlig klar.
Immerhin zeigt Dein Versuch ja ein zeitdiskretes Verhalten des Lichtes.

von Der Andere (Gast)


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In dem Zusammenhang kann ich Richard P. Feynmans Buch "QED" empfehlen.
Eine Erklärung der Quantenelektrodynamik* ohne Mathematik.

Wer vergnüglichen Lesestoff sucht kann sich noch "Sie belieben wohl zu 
scherzen Mr Feynman" besorgen. Sehr schöner Lesestoff, auch für 
Nicht-Naturwissenschaftler

*Dafür hat er mit anderen den Physik Nobelpreis erhalten

von Der Andere (Gast)


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@Christoph: Hut ab für das Projekt.

von Christoph E. (stoppi)


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>Wenn also ein EINZELNES Photon durch ein Strichgitter (o.ä.)
>geschickt wird, dann landet es genau an EINER Stelle.

>An welcher Stelle, ist aber unbestimmt; mittels dem Wellenmodell kann
>man die statistische Verteilung bei "vielen" Photonen angeben.

Genauso ist es. Damit es ein Interferenzmuster zeigt, muss es aber auch 
über die Spalte neben dem Spalt durch den es gelaufen ist auf eine Art 
Bescheid wissen ;-)

: Bearbeitet durch User
von Marc Horby (Gast)


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M.A. S. schrieb:
> "es gibt keine Photonen, es gibt keine Photonen,
> Du kannst keine herzeigen, noch nie ist eines über eine Strecke
> gelaufen...!"

Hier:
Beitrag "Re: Abstrahleigenschaften von Radiowellen durch Untersuchung sichtbarer elektromagn. Strahlung"

von Marc Horby (Gast)


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M.A. S. schrieb:
> Meiner Anschauung nach sind sie weder noch, aber egal


Mal als Anmerkung:

Wenn die momentane Theorie zu Licht (welche mehrfach experimentell 
bestätigt wurde) falsch ist, ist sie verdammt gut falsch!

von Karl K. (karl2go)


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Frage: Wie stellst Du sicher, dass Du einzelne Photonen zählst?

Du hast eine Impulsrate von 200 Hz im Maximum. Wenn ich das mal 
überschlage: Die Energie eines Photons bei 532nm ist Ephoton = 3.7E-19 
J. Der Laser hat eine Ausgangsleistung von Plaser = 5mW. Damit emittiert 
er etwa Nphoton = 14E15 Photonen pro Sekunde. Du filterst mit 10^9, 
damit bleiben nach dem Filter noch Nfilter = 14E6 Photonen pro Sekunde. 
Selbst wenn davon nur 10% im ersten Maximum landen und davon durch den 
Spalt des PMT nur 10% gelangen und der PMT nur jedes zweite Photon 
detektiert (was schon ziemlich mies wäre) sind das immer noch 300mal 
mehr Photonen als Du zählst.

Wo sind die hin?

von hinz (Gast)


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Karl K. schrieb:
> Wo sind die hin?

Der Kurt war da! Da sind sie geflüchtet.

von Christoph E. (stoppi)


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Folgende Punkte sind zu berücksichtigen:

Die quantenausbeute des photomultipliers beträgt bei 532nm nur rund 20%.

http://www.icpdf.com/HAMAMATSU_datasheet/H6780-02_pdf_456455/H6780-02_2.html#view

Hier sieht man das beugungsmuster meines Gitters:
https://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=6&t=61526&start=75

Demnach dürften so 5-10 Prozent ins ein helleres maximum fallen...

Doppel- oder mehrfachpulse werden nicht getrennt voneinander 
registriert, da ich ja ein monoflop ansteuere mit relativ langer 
pulsdauer...

Ich schleuse die pulse ja auch noch durch einen komparator, und da 
fallen (deutlich) niedrigere pulse durch...

von Wolfgang (Gast)


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Karl K. schrieb:
> Frage: Wie stellst Du sicher, dass Du einzelne Photonen zählst?

Beim Single-Photon-Counting erkennt man die Elektronenlawine jedes 
Einzelphotonen an der einheitlichen Ladung. Erst wenn der Photonenstrom 
zu hoch wird, überlagern sich die Pulse.

von Christoph E. (stoppi)


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Und das noch: ich lasse den Laser auf nahezu unterster Stufe (U = ca. 
2.65 V) laufen. Dies u.a. Deshalb, damit mir der gelatine-Filter nicht 
löchrig wird... Laut Datenblatt läuft er mit zumindest 3V... Demnach hat 
er vermutlich keine 5 mW.

Ich werde morgen aber auch noch eine Abschätzung anstellen.

von Karl K. (karl2go)


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Wolfgang schrieb:
> Beim Single-Photon-Counting erkennt man die Elektronenlawine jedes
> Einzelphotonen an der einheitlichen Ladung.

Das ist die Theorie, in der Praxis sieht das sehr anders aus. Ich hab 
damit auch schon meinen Spass gehabt. Deswegen bin ich da drauf 
gestoßen.

von Wolfgang (Gast)


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Karl K. schrieb:
> Das ist die Theorie, in der Praxis sieht das sehr anders aus.

Sowohl in der Theorie als auch in der Praxis gehorcht der Abstand der 
durch Photonen ausgelösten Pulse einer Poisson-Verteilung, d.h. auch bei 
niedriger Photonenrate besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit für das 
Überlappen von Pulsen. Dazu kommen thermisch ausgelöste Elektronen, die 
durch anständige Kühlung des PMT kräftig reduziert werden können.

Wenn Theorie und Praxis nicht zusammen passen, beschreibt die Theorie 
die Dinge nur unzureichend.

von Bastelfreund (Gast)


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Christoph E. schrieb:
> Diese werden mittels Photomultiplier (Hamamatsu 5773) einzeln
> detektiert,

Hallo! Sehr schönes Projekt! Glückwunsch!

Meine Frage: Kann man die einzelnen Photonen hörbar machen indem man 
einen Lautsprecher anschließt? Würde das sehr gerne mal hören! Du 
könntest das machen und vielleicht eine Sounddatei hier posten. Ich 
würde erwarten, das der Ton sehr stark verrauscht klingt weil...

Man könnte ein paar statistische Berechnungen damit anstellen oder 1A 
Zufallszahlen erzeugen.

von malsehen (Gast)


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Bastelfreund schrieb:
> Man könnte ein paar statistische Berechnungen damit anstellen

?

Bastelfreund schrieb:
> oder 1A
> Zufallszahlen erzeugen.

Ist nichts Neues.

von Thomas (Gast)


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Bastelfreund schrieb:
> Kann man die einzelnen Photonen hörbar machen indem man
> einen Lautsprecher anschließt

Ja. Siehe Photonen_Dualismus_30.jpg + Schaltplan

von malsehen (Gast)


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Thomas schrieb:
> Photonen_Dualismus_30.jpg

Ob es rauscht?

von Sven B. (scummos)


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Wolfgang schrieb:
> Karl K. schrieb:
>> Frage: Wie stellst Du sicher, dass Du einzelne Photonen zählst?
>
> Beim Single-Photon-Counting erkennt man die Elektronenlawine jedes
> Einzelphotonen an der einheitlichen Ladung. Erst wenn der Photonenstrom
> zu hoch wird, überlagern sich die Pulse.

Das ist in der Praxis überhaupt nicht der Fall, wenn du dir mal den 
Output von einem Photomultiplier anschaust. Die Energien der Einzelpulse 
schwanken sehr stark. Das liegt daran, dass an jeder Dynode ein 
stochastischer Prozess stattfindet, der irgendwieviele 
Sekundärelektronen auslöst, das sind aber nicht immer gleich viele. Vor 
allem an den ersten paar Dynoden sorgt das für beträchtliche 
Schwankungen (nicht nur ein paar Prozent, sondern typ. 50% und mehr).

Cooles Projekt, jedenfalls!

: Bearbeitet durch User
von Alex G. (dragongamer)


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Hier mal zur Ergänzung - mein Lieblingsvideo zu diesem Thema: 
https://youtu.be/3ohjOltaO6Y

Frage mich ob man diese Beobachtung am Spalt auch mit "Bastlermittel" 
realisieren könnte?

: Bearbeitet durch User
von Sven B. (scummos)


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Eine Sache allerdings noch: das einzelne Detektieren ist nicht 
notwendigerweise der Punkt. Worauf es ankommt, ist dass sich zu jedem 
Zeitpunkt nur ein Photon im Aufbau befindet. Hast du das mal 
nachgerechnet, ob das der Fall ist? Klingt aber grob überschlagen 
realistisch bei 1mW Laser mit ND 9.

: Bearbeitet durch User
von malsehen (Gast)


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Alex G. schrieb:
> Hier mal zur Ergänzung - mein Lieblingsvideo zu diesem Thema:
> Youtube-Video "Doppelspalt-Experiment - Quantenphysik einfach erklärt"

Danke!
Gute Nacht.

von ralf (Gast)


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von Karl K. (karl2go)


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Sven B. schrieb:
> Worauf es ankommt, ist dass sich zu jedem
> Zeitpunkt nur ein Photon im Aufbau befindet.

Definiere Zeitpunkt. Wie oben berechnet sind es immer noch ein paar Mio 
Photonen pro Sekunde nach den Filtern.

Abgesehen davon ist das nicht ganz korrekt. Der PMT detektiert ja - 
siehe Einstein, äußerer photoelektrischer Effekt - Teilchen. Der Witz im 
Experiment ist halt, dass die Teilchen nach dem Gitter nicht 
gleichverteilt sind, sondern ihre Häufigkeit einem Interferenzmuster 
folgt, welches nur mit Welleneigenschaften erklärt werden kann.

von Mani W. (e-doc)


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hinz schrieb:
> Karl K. schrieb:
>> Wo sind die hin?
>
> Der Kurt war da! Da sind sie geflüchtet.

Alle auf der Zugspitze...


SCNR

Beitrag #5611611 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5611612 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Sven B. (scummos)


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Karl K. schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> Worauf es ankommt, ist dass sich zu jedem
>> Zeitpunkt nur ein Photon im Aufbau befindet.
>
> Definiere Zeitpunkt. Wie oben berechnet sind es immer noch ein paar Mio
> Photonen pro Sekunde nach den Filtern.

Wenn ein Photon auf dem Detektor auftritt, sollte statistisch das zweite 
noch nicht die Quelle verlassen haben.

> Abgesehen davon ist das nicht ganz korrekt. Der PMT detektiert ja -
> siehe Einstein, äußerer photoelektrischer Effekt - Teilchen. Der Witz im
> Experiment ist halt, dass die Teilchen nach dem Gitter nicht
> gleichverteilt sind, sondern ihre Häufigkeit einem Interferenzmuster
> folgt, welches nur mit Welleneigenschaften erklärt werden kann.

Das könntest du aber auch nachweisen, wenn du einfach nur mit einem 
Laser auf ein Gitter leuchtest und ein Foto machst. Der CCD-Chip 
detektiert nämlich auch Teilchen.

Der Witz bei diesem Experiment ist eigentlich schon, dass du ein 
einzelnes Energiequant hast, was alleine immer noch den 
Interferenzeffekt produziert. Dazu muss es sich auch alleine im Aufbau 
befinden, sonst ist es nur ein normales Doppelspaltexperiment mit 
schwachem Licht. Wie gesagt, ich glaube das ist hier der Fall, aber das 
ist die Bedingung die für ein aussagekräftiges Experiment nachgeprüft 
werden muss.

: Bearbeitet durch User
von Bastelfreund (Gast)


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Bastelfreund schrieb:
> vielleicht eine Sounddatei hier posten.

Vielleicht eine "wave" Datei.

von Karl K. (karl2go)


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Sven B. schrieb:
> Wenn ein Photon auf dem Detektor auftritt, sollte statistisch das zweite
> noch nicht die Quelle verlassen haben.

Bei einer angenommenen Weglänge von 30cm braucht ein Photon 1nsec vom 
Laser zum Detektor. Solange die Anzahl am Gitter ankommenden Photonen 
deutlich unter 1Mrd pro Sekunde liegt, kann man das also als gegeben 
annehmen.

von Kolja L. (kolja82)


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Christoph E. schrieb:
> Ich möchte kurz mein aktuellstes Projekt vorstellen.

Sau geil Alter, weiter so!

von Ste N. (steno)


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> Sau geil Alter, weiter so!

Ich kann mich meinen Vorrednern nur anschließen. Wahnsinn was Du da auf 
die Beine gestellt hast!!!

Ich hätte da eine spezielle Frage zum Strichgitter. Du schreibst es hat 
300 Linien. Ist das "nur" ein belichteter Film oder handelt es sich um 
eine Glasplatte mit aufgedampften Chromstrukturen. Das geht aus der 
Beschreibung  im Shop leider nicht hervor.

Gruß, Steffen

von Christoph E. (stoppi)


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Danke, danke...
Zum Gitter, kann ich dir jetzt leider auch keine genaue Auskunft geben, 
Steffen. Film ist es aber wohl nicht, ist nämlich recht dick. Hat aber 
nur 80 Linien/mm...

: Bearbeitet durch User

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