Elektronenbeugung und De-Broglie-Wellenlänge – Beugungsröhre, Doppelspalt, Elektronenmikroskop
PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18
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Zum Starten anmeldenEine Elektronenbeugungsröhre mit Graphitfolie: Ändern Sie die Beschleunigungsspannung U und beobachten Sie, wie die Ringe auf dem Leuchtschirm mit steigender Spannung kleiner werden. Messen Sie die Ringdurchmesser mit einer Ringlehre, legen Sie eine Tabelle an, tragen Sie D gegen 1/√U auf und bestimmen Sie die Wellenlänge λ = h/√(2meU) und den Netzebenenabstand d. Vergleichen Sie mit den Ringen von Röntgenstrahlen gleicher Wellenlänge und halten Sie einen Magneten an die Röhre. Der Bildschirm Doppelspalt schickt Elektronen einzeln los und baut Interferenzstreifen auf; der Bildschirm Mikroskop vergleicht das Auflösungsvermögen von Licht- und Transmissionselektronenmikroskop.
Lektion: Welle-Teilchen-Dualismus: De-Broglie-Wellenlänge, Elektronenbeugung, Elektroneninterferenz am Doppelspalt, Elektronenmikroskop
Was sie zeigt
De Broglie schlug vor, dass jedes Teilchen eine Wellenlänge λ = h/p hat. Elektronen, die mit der Spannung U beschleunigt werden, haben den Impuls p = √(2meU), also λ = h/√(2meU), bei einigen Kilovolt wenige Pikometer. Eine dünne polykristalline Graphitfolie wirkt wie ein Gitter: Bragg-Reflexion 2d sinθ = λ an zwei Netzebenenscharen lenkt Elektronen in Kegel, die auf dem Schirm zwei Ringe bilden. Höhere Spannung verkürzt λ und verkleinert die Ringe. Einzeln durch einen Doppelspalt geschickte Elektronen treffen als Teilchen auf, bilden aber Interferenzstreifen. Die kurze Wellenlänge erklärt auch die hohe Auflösung von Elektronenmikroskopen.
So funktioniert es
Stellen Sie im Reiter Beugungsröhre die Spannung U ein, ziehen Sie auf dem Schirm oder nutzen Sie Ringlehre D, bis der gestrichelte Kreis auf einem Ring liegt, wählen Sie Gemessener Ring und klicken Sie auf Messwert speichern. Wiederholen Sie bei mehreren Spannungen und lesen Sie d an den Ausgleichsgeraden ab. Probieren Sie Mit Röntgenstrahlen vergleichen mit Gleiche Wellenlänge sowie Magnet annähern. Ändern Sie im Reiter Doppelspalt Spalte, Spaltabstand d und Emissionsrate, im Reiter Mikroskop die TEM-Spannung.
Einstellbare Parameter
- Bildschirm Elektronenbeugungsröhre, Elektronen am Doppelspalt, Elektronenmikroskop
- Beschleunigungsspannung U (Beugungsröhre) 1,5–5 kV
- Graphitgitter anzeigen
- Magnet an die Röhre halten
- Mit Röntgenstrahlen vergleichen
- Photonenenergie der Röntgenstrahlung 20–120 keV
- Beschleunigungsspannung U (Doppelspalt) 10–100 kV
- Spaltabstand d 0,5–4 µm
- Spalte Beide Spalte offen, Ein Spalt geschlossen, Detektor zeigt den Spalt
- Emissionsrate der Elektronen Langsam (einzeln), Mittel, Schnell
- Vorhergesagte Verteilung anzeigen
- Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops 10–300 kV
- Lichtwellenlänge im Lichtmikroskop 400–700 nm
Fragen zum Erkunden
- Warum werden die Ringe kleiner, wenn die Beschleunigungsspannung erhöht wird?
- Warum verschiebt ein Magnet die Elektronenringe, aber nicht die Röntgenringe?
- Warum verschwinden die Streifen, wenn ein Detektor anzeigt, durch welchen Spalt jedes Elektron ging?
