Was sind Materiewellen?
Materiewellen, auch De-Broglie-Wellen genannt, sind die wellenartige Natur aller Materie, einschließlich der Atome, aus denen sich Ihr Körper zusammensetzt. Eine der ersten und wichtigsten Erkenntnisse der Quantenphysik ist, dass Elektronen eine Doppelwellen-Teilchen-Natur haben. Es stellte sich bald heraus, dass alle Materie diese duale Natur hat, aber da konventionelle Materie einen hohen Impuls relativ zu Elektronen hat, ist die Wellenlänge der Materiewellen sehr klein und in den meisten Fällen kaum wahrnehmbar. Zum Beispiel liegt die Wellenlänge der Materie, aus der eine Person besteht, in der Größenordnung von 10 –35 Metern , weitaus kleiner als mit aktuellen Messtechnologien beobachtet werden kann.
Das Konzept der Materiewellen wurde zuerst vom französischen Physiker Louis de Broglie erläutert, der die von Albert Einstein, Max Planck und Neils Bohr vorgeschlagenen frühen Theorien erweiterte. Bohr untersuchte hauptsächlich das Quantenverhalten von Wasserstoffatomen, während de Broglie versuchte, diese Ideen zu erweitern, um eine Wellenlängengleichung für alle Materie zu bestimmen. De Broglie entwickelte eine Theorie und präsentierte sie in seiner 1924 erschienenen Doktorarbeit, für die er 1929 den Nobelpreis für Physik erhielt. Dies war der erste Fall, in dem der Nobelpreis für eine Doktorarbeit verliehen wurde.
Gleichungen, die als De-Broglie-Beziehungen bekannt sind, beschreiben die duale Wellen-Teilchen-Natur aller Materie. Diese Beziehungen besagen, dass die Wellenlänge eines Teilchens umgekehrt proportional zu seinem Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) und seine Frequenz proportional zu seiner kinetischen Energie ist, die ein rahmenabhängiger (relativer) Wert ist. Teilchen mit geringem Impuls, wie Elektronen bei Raumtemperatur, haben daher eine De-Broglie-Wellenlänge von etwa 8 Nanometern. Teilchen mit noch geringerem Impuls, wie Heliumatome bei Temperaturen von nur wenigen Nanokelvin, können Materiewellen mit Wellenlängen von wenigen Mikrometern aufweisen. Unter solch ungewöhnlichen Bedingungen werden die Realitäten der Quantenwelt fast in einen makroskaligen Bereich gebracht.
De Broglies Theorien über Materiewellen wurden 1927 bestätigt, als die Bell Labs-Wissenschaftler Lester Germer und Clinton Davisson langsam laufende Elektronen auf ein kristallines Nickel-Target abfeuerten. Das resultierende Beugungsmuster zeigte die wellenartigen Eigenschaften der Elektronen, die denen ähneln, von denen bekannt ist, dass sie von Photonen wie denjenigen in Röntgenstrahlen angezeigt werden. Die Materiewellen konnten in diesem Fall nur beobachtet werden, weil die Elektronen, mit denen sie erzeugt wurden, einen sehr geringen Impuls hatten. Seit 1927 wurde die Wellenform verschiedener anderer Elementarteilchen empirisch nachgewiesen.