Startbedingungen für das Doppelspaltexperiment

Q1. Was ist die Quelle für Elektronen, die im Double-Split-Experiment verwendet werden?

Q2. Elektronen müssen von irgendeinem Atom kommen. Innerhalb des Atoms ist das Elektron eine Wahrscheinlichkeitswellenfunktion. Wenn das Elektron mit Photonen oder anderen Methoden vom Atom geschlagen wird, wäre es eine Wechselwirkung mit dem Elektron. Wäre seine Wellenfunktion also nicht bereits zu Beginn des Experiments selbst zusammengebrochen?

Q3. Wenn die Wellenfunktion dieses Elektrons bereits kollabiert ist, bevor es auf die Spalte trifft, handelt es sich um ein Teilchen. Es sollte sich dann als Partikel dem Schlitz nähern. Übersehe ich etwas Grundlegendes?

Q4. Wenn obige Annahmen gültig sind, ändert sich dieses Teilchenelektron zurück zu einer Welle während des Fluges zu den Schlitzen? Und Interferenzen erzeugen?

Q5. Schließen die Quellenschlitze und der Detektoraufbau jegliche Wechselwirkung von Elektronen mit den Luftmolekülen aus? Oder befindet sich das Setup in einem Vakuum?

Die Wellenfunktion entwickelt sich über die Zeit gemäß der Schrödinger-Gleichung. Wenn es aufhörte, sich zu entwickeln, nachdem es "vom Atom getroffen" wurde, würde es natürlich niemals mit dem Bildschirm interagieren.
Danke für die Information. Das ist neu für mich. Die Wellenfunktion entwickelt sich mit der Zeit. Habe es noch nicht gelesen. Vielleicht habe ich gerade erst mit QM angefangen. Sieht interessant aus.
Paar Missverständnisse hier. Elektronen sind Quanten, dh sie sind Einzelmessungen an einem System. Wellenfunktionen beschreiben keine Wahrscheinlichkeiten, sondern den Zustand von Ensembles von Quanten, sozusagen "das Elektron ist eine Wahrscheinlichkeitswellenfunktion" ist bedeutungslos, da es eine einzelne Messung mit der Beschreibung aller möglichen Messungen gleichsetzt. Der Kollaps der Wellenfunktion ist ein ziemlich bedeutungsloses Konzept, das man nicht mehr verwenden sollte. Elektronen sind keine Teilchen, da dies ein Begriff ist, der nur in der klassischen Mechanik nützlich ist, obwohl die falsche Bezeichnung immer noch häufig vorkommt.

Antworten (2)

Q1. Was ist die Quelle für Elektronen, die im Double-Split-Experiment verwendet werden?

Ein bisschen Recherche im Netz ist keine Verschwendung. Wenn man den Links folgt, sieht man, dass das Experiment im Vakuum stattfindet, da ein Elektronenmikroskop verwendet wird. Bei Elektronenmikroskopen :

Das gesamte Innere eines Elektronenmikroskops steht unter Hochvakuum, damit sich der Elektronenstrahl geradlinig ausbreiten kann.

Der Elektronenstrahl wird so vorbereitet, dass er ein ebenes Wellenmuster hat.

Q2. Elektronen müssen von irgendeinem Atom kommen. Innerhalb des Atoms ist das Elektron eine Wahrscheinlichkeitswellenfunktion. Wenn das Elektron mit Photonen oder anderen Methoden vom Atom geschlagen wird, wäre es eine Wechselwirkung mit dem Elektron. Wäre seine Wellenfunktion also nicht bereits zu Beginn des Experiments selbst zusammengebrochen?

Jede Messung und jeder Aufbau hat eine quantenmechanische Lösung der entsprechenden quantenmechanischen Gleichung und der entsprechenden Randbedingungen. Es gibt immer eine Wellenfunktion, die ein Elektron modelliert, aber das quantenmechanische Modell ist probabilistisch. Die mathematische Funktion, wenn komplex konjugiert quadriert, ergibt die Wahrscheinlichkeit, das Elektron bei (x,y,z,t) zu finden. Im Doppelspaltexperiment am (x,y) des Detektionsschirms.

Die Wellenfunktion ist die Lösung des Problems: Ein ebenes Wellenelektron trifft auf die Grenzspalte zwei

Q3. Wenn die Wellenfunktion dieses Elektrons bereits kollabiert ist, bevor es auf die Spalte trifft, handelt es sich um ein Teilchen. Es sollte sich dann als Partikel dem Schlitz nähern. Übersehe ich etwas Grundlegendes?

In der Wellenfunktion steckt keine Magie. Sie ist immer da und die Natur löst die Differentialgleichungen für die gegebenen Randbedingungen. Das Elektron als quantenmechanische Einheit kann in den kleinen Dimensionen der Spalte nur durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben werden, die die Lösung des Randbedingungsproblems ist.

Q4. Wenn obige Annahmen gültig sind, ändert sich dieses Teilchenelektron zurück zu einer Welle während des Fluges zu den Schlitzen? Und Interferenzen erzeugen?

Es geht nicht um Veränderung, es geht um Randbedingungen und das durch sie eingeschränkte Quadrat der Wellenfunktion.

Q5. Schließen die Quellenschlitze und der Detektoraufbau jegliche Wechselwirkung von Elektronen mit den Luftmolekülen aus? Oder befindet sich das Setup in einem Vakuum?

Das Experiment muss im Vakuum stattfinden, da sich die Randbedingungen ändern, wenn andere Teilchen unterwegs sind, und das Problem anders wird.

Zusammenfassend : _

Elektron ds

Einzelelektronen-Doppelspalt

Die makroskopische "Teilchen"-Natur des Elektrons ist in den Punkten auf der (x,y) der Messschirmoberfläche zu sehen. Die makroskopische „Wellen“-Natur eines Elektrons zeigt sich in der Wahrscheinlichkeitsverteilung, wie sie in den gesammelten Screenshots gemessen wird, der natürlichen Lösung des Grenzwertproblems.

Ich sehe hier keine makroskopischen Partikel. Ich sehe Punkte auf einem Bildschirm. Ein makroskopisches Teilchen wäre so etwas wie ein Planet im Kepler-Problem.
@CuriousOne, dann musst du wirklich in einer Parallelwelt leben. In meinem Universum hat ein makroskopisches klassisches Teilchen ein (x,y,z,t) mit Messfehlern per Definition eines Teilchens. Wie im klassischen idealen Gas. Planeten sind klassischerweise aus unzähligen solcher Teilchen zusammengesetzt.
Ich lebe einfach in einer Welt, in der Partikel in der klassischen Mechanik (und nirgendwo sonst) eine genau definierte Bedeutung haben, aber es ist kein Objekt, sondern eine Annäherung an ein erweitertes Objekt, das alle außer den trivialsten Eigenschaften dieses Objekts ignoriert. In der Quantenmechanik gibt es so etwas nicht, und die Punkte auf Ihrem Bildschirm sind keine Koordinaten des Massenmittelpunkts von irgendetwas. Das alles wissen Sie übrigens.
@CuriousOne Die Welt, in der die Menschen leben, ist klassisch. Die Umschläge des Verstehens von Beobachtungen sind klassisch. Wenn ich einen Fleck auf dem Glas des Autos sehe, „weiß“ ich, dass es ein Schmetterling oder eine Biene war. Die Definition von Partikel ist klassisch, die Zuordnung des Wortes ist kognitiv, semantisch, was auch immer. Aber einen Neuling mit esoterischen Definitionen zu verwirren, die zum Verständnis ein Buch hinter sich haben, ist weder konstruktiv, noch motiviert es zu weiteren Studien.
Die "esoterische Definition" ist Satz Nummer 1 in Kapitel Nummer 1 von Landau Lifshitz Band 1 über Mechanik. Nehmen Sie es mit ihnen auf, wenn Sie so tun wollen, als ob es sich nicht um Standard-Physik-Lehrbuchwissen handelt. Dies ist eine professionelle Physikseite, wir versuchen den Leuten hier professionelle Antworten zu geben. Dazu gehört die einfache Tatsache, dass die Welt nicht klassisch ist, nie war und nie sein wird. Ich fürchte, es braucht nur ein wenig Wissen und Vorstellungskraft, um hinter eine Buggy-Windschutzscheibe zu sehen. Ich vertraue darauf, dass der OP damit umgehen kann. Du nicht?
@CuriousOne Ich verstehe auch nicht, in welcher Welt du lebst. Du glaubst nicht an Photonen und jetzt glaubst du auch nicht, dass Elektronen diese Einschlagspuren hinterlassen können? Ich denke auch, dass es für einen Neuling oder einige dieser anderen Physiker, von denen Sie sprechen, verwirrend wäre.
@BillAlsept: Du meinst Messungen auf Feldern? Das ist ein Photon. Glaube ich an kleine silberne Kugeln, die durch das Vakuum fliegen? Natürlich nicht. Das ist oder war ein Photon nicht ... zumindest nicht in der Physik, vielleicht ist es das in der Popwissenschaft. Elektronen machen keine "Aufprallspuren" und das ist zunächst nicht das, was Sie sehen. Elektronen sind wie Photonen Quanten. Warum verschwindet ein Elektron nicht, wenn wir es messen, wie ein Photon? Ist es das, was dich aufregt? Wegen Ladungserhaltung.
@BillAlsept Es lohnt sich nicht, da CuriousOne ein Platoniker ist. Er glaubt, dass das sehr erfolgreiche Modell der Quantenfeldtheorie DIE REALITÄT ist, nicht nur ein weiteres schönes mathematisches Modell, das datenspezifische Daten anpasst. Es scheint auch, dass er (sie?) nicht daran glaubt, sich auf einen bestimmten klassischen Rahmen für Definitionen zu verlassen, alles muss zu Quantenfeldern gehen.
Elektronen werden nicht wie Photonen absorbiert. Sie sind anders. Niemand hat gesagt, dass Photonen kleine Bälle sind. Du bist der Einzige, der das jemals sagt. Sie haben nie erklärt, wie Ihr Feld für ein einzelnes Photon verantwortlich sein kann, das von einem entfernten Stern kommt. Eine Teilchentheorie kann dies berücksichtigen. Deine Welle oder dein Feld kann es nicht sein. Sie können nicht einmal beschreiben, wie dieses Feld zwischen hier und dort aussehen würde. Wie groß ist es. Bedeckt es das ganze Universum in alle Richtungen und kommt dann zusammen und kollabiert hier zu einem einzigen Photon? Das klingt wirklich albern, wenn man darüber nachdenkt.
@annav: Ich bin eigentlich das Gegenteil eines Platonikers. Ich nehme die Schatten ernst, wohingegen Platon ausdrücklich dazu geraten hat, sie zu ignorieren. Auch hier sind Definitionen wichtig. :-)
@BillAlsept: Natürlich sind Bosonen und Fermionen unterschiedlich. Geladene Quanten unterscheiden sich von ungeladenen. Massive Felder verhalten sich anders als masselose. Hat jemand anders gesagt? Der Unterschied macht das eine jedoch nicht klassischer als das andere. Warum kann eine Feldtheorie keine langreichweitige Wechselwirkung berücksichtigen? Genau das tut die Quantenelektrodynamik. Es tut eine ganze Menge zusätzlich, zum Beispiel sagt es voraus, dass Photonen und Elektronen zusammenkommen müssen, was keine Korpuskeltheorie vorhersagen kann. Ist das Feld überall? Natürlich, warum würden Sie anders denken?
Sie können immer noch nicht erklären, warum ein Feld so groß wie das Universum benötigt wird, um ein einzelnes Photon zu erfassen. Ihr Feld und Ihre Lichtwelle sind großartige Werkzeuge, aber lächerlich, wenn es um die Realität geht. Wie das möglich ist, lässt sich nicht mit vernünftigen Worten erklären. Warum es komplizierter machen, als es sein muss.
Ich denke, dass @annav ihr zu gratulieren ist? antworten, insbesondere wenn es das Wissen und Verständnis von Vivek vorantreibt. Die Idee, dass man alle aktuellen innovativen Ideen umfassen muss, um Fragen in diesem Forum zu beantworten, ist dahingehend fehlerhaft, dass es denen nicht hilft, die solchen Ideen noch nicht ausgesetzt waren. Dieses Forum hat das folgende Ziel „Physics Stack Exchange ist eine Frage-und-Antwort-Site für aktive Forscher, Akademiker und Studenten der Physik und Astronomie.“ und ist somit nicht nur für diejenigen gedacht, die an den Grenzen unseres Wissens stehen. Dieses Forum soll ermutigen, nicht niedermachen.
Vielleicht sollte auf der Einführungsseite dieses Forums noch etwas angemerkt werden: "Auf dieser Seite geht es nur darum, Antworten zu bekommen. Es ist kein Diskussionsforum." Also hätte vielleicht ein Teil der Diskussion, die auf Annavs Antwort folgte und die ich interessant fand, woanders hätte geführt werden sollen? Insbesondere würde ich vermuten, dass der größte Teil der Diskussion @Vivek bei seinem Versuch, das Doppelspaltexperiment zu verstehen, nicht wesentlich geholfen hat. physics.stackexchange.com/tour
Danke für die Antwort. Es ist sehr schwierig, detaillierte Informationen über die im Experiment verwendeten Geräte zu erhalten. Im Internet gibt es viele vereinfachte Beschreibungen, aber keine Details. Ich werde hier bei Stackexchange weitere Zweifel aufkommen lassen, da ich sicher bin, großartige Antworten zu erhalten und Ideen zu klären.
Vielen Dank auch für die Diskussion. Ich habe vielleicht nicht alles verstanden, aber trotzdem eine Vorstellung davon, wie komplex es werden wird.
Folgefrage: Wenn Detektoren an Schlitzen platziert werden, verschwindet das Interferenzmuster, da diese Beobachtung die Wellenfunktion des Elektrons zusammenbrechen lassen würde, warum entwickelt sich dann die Wellenfunktion nach der Detektion am Schlitz nicht erneut? Daher sollte sich die Wellenfunktion entwickeln und wir sollten immer noch Interferenzmuster sehen, selbst wenn Detektoren am Spalt vorhanden sind? Was ist hier der Haken?
Das Hinzufügen von Detektoren ändert die Randbedingungen und verschiedene Lösungen der Shrodinger-Gleichung werden aufgenommen, die Wellenfunktion ändert sich. Siehe dieses Experiment phys.org/news/…

A1. Normalerweise verwenden die Leute eine thermische Elektronenquelle für das Doppelspaltexperiment, wie @annav zu Recht darauf hingewiesen hat, dass das Experiment im Vakuum durchgeführt wird. Es muss kein Elektronenmikroskop sein, nur eine Niedrigenergie-Elektronenkanone ist ausreichend.

A5. Das Experiment kann nicht in der Luft durchgeführt werden, da die Reichweite solcher niederenergetischer Elektronen in Luft sehr klein ist (weniger als Mikrometer).

Ein niederenergetisches Elektron ist eine absolute Notwendigkeit für dieses Experiment. Wie Sie das vielleicht für Teilchenwellen kennen

λ = H M v

und wenn die Geschwindigkeit/Energie des Elektrons zunimmt, nimmt seine Wellenlänge ab.

Das Beugungsmuster entsteht aufgrund der Interferenz zwischen den Teilen der Wahrscheinlichkeitswelle eines Elektrons, das beide Schlitze passiert. Solange der Spaltabstand kleiner als die Elektronenwellenlänge ist, kann es zu Interferenzen kommen, da die Wahrscheinlichkeitswelle eines Elektrons beide Spalte passieren kann, im anderen Fall aber (praktisch) nur von einem Spalt aus.

Nun denke ich, es spielt keine Rolle, ob die Elektronen vor dem Spalt kohärent sind, weil sowieso die Wellenanteile eines Elektrons miteinander interferieren.

Es kann hier angemerkt werden, dass die Elektronen auch eine sehr kleine Energiestreuung haben müssen, denn wenn die Energiestreuung groß ist, dann stimmen die Spitzen des Beugungsmusters für eine Energie mit dem Durchgang des Interferenzmusters einer anderen Energie überein und die Streifen verschwinden, wenn wir von der Mitte weggehen.

Danke Hsinghal für die Antwort. Hilfreich war für mich auch die Schlitztrennungsinfomation. Ich frage mich, was das Ergebnis ist, wenn Schlitze jenseits der Elektronenwellenlänge getrennt werden? Die Elektronen würden von der Mitte des Schlitzes abprallen oder durch einen der Schlitze gehen? Wie genau ist die Ausrichtung des Geräts mit dem Schlitz?
Ich denke, die Elektronen werden von Schlitzen passieren und Sie werden die Überlagerung der Elektronen von zwei Schlitzen sehen, aber kein Interferenzmuster. Nur die Addition der Elektronenflussverteilung aus einzelnen Schlitzen. Es sollte wie eine Gaußsche Verteilung aussehen.
Startbedingungen für das Doppelspaltexperiment
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