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SG110 G-R-A-Versuch

Photon

Fotoeffekt

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Der Versuch gilt als zwingender Nachweis der Existenz von Photonen. Mit ihm wird auch Einteilchen-Interferenz zwingend nachgewiesen.
Abb. 1: Schematische Darstellung des GRA-Versuchs (Bildschirmfoto nach dem Programm PHOTONEN.EXE):

Mit dem Messphoton wird experimentiert, mit dem Botenphoton wird garantiert, dass eine Messung an genau einem (Mess-)Photon erfolgt. Messphoton und Botenphoton entstehen immer gleichzeitig. Nur, wenn ein Botenphoton vorhanden ist, wird der Koinzidenzzähler "scharf" geschaltet.

Der Fotoeffekt lässt sich mit Photonen deuten. Dafür hat Einstein seinen Nobelpreis bekommen. Aber es gibt auch andere Deutungsmöglichkeiten. Die Autoren Grangier, Rogier und Aspect haben deshalb 1989 einen Versuch durchgeführt, der eindeutig zeigt, dass sich ein Photon wie ein unteilbares Ganzes verhält.

Problem ist es, sicher zu sein, dass mit genau einem Photon experimentiert wird. Würde man Licht einer gewöhnlichen Lichtquelle durch Graufilter abschwächen, könnte man es sehr wohl erreichen, dass im Mittel 1 Photon pro Zeiteinheit hindurchtritt. Aber es ist sehr wohl möglich, dass in einer Zeiteinheit genau ein Photon durchtritt, in der nächsten keines, dann wiederum 2, etc.

a) Existenz des Photons

GRA verwendeten eine Zwei-Photonen-Quelle, die sozusagen auf Knopfdruck genau 2 Photonen gleichzeitig abgibt. Mit dem einen Photon, dem Messphoton, soll experimentiert werden: Es wird zu einem Strahlteiler geschickt. Mit Hilfe von zwei Sensoren S1 und S2 wird untersucht, wie sich dieses Photon am Strahlteiler verhält.

Aber wie kann sich der Experimentator sicher sein, dass nicht etwa zwei Photonen gleichzeitig zum Strahlteiler gelangen? Oder dass einer der Sensoren zufällige Signale als Folge irgendwelcher Störeffekte anzeigt? GRA lösten das Problem, indem sie das zweite, gleichzeitig ausgesandte Photon als Botenphoton (oder Trigger-Photon) verwendeten. Nur, wenn dieses im Sensor ST registriert ist, schaltet es die Elektronik "scharf". Messungen, die jetzt am Messphoton durchgeführt werden, werden mit Sicherheit an einem einzelnen Photon durchgeführt. Nur dann arbeitet die Elektronik (gelb in der Zeichnung oben) als Koinzidenz-Apparatur. Sie erzeugt nur dann ein Ausgangssignal bzw. zählt die Ereignisse, bei denen beide Sensoren S1 und S2 gleichzeitig ("in Koinzidenz") ansprechen.

So ist gesichert, dass bei der Messung genau ein Photon auf den Strahlteiler trifft. Das Ergebnis überrascht: 

Es kommt so gut wie nie vor, dass beide Sensoren ansprechen ("es entstehen keine Koinzidenzen"). Das Messphoton teilt sich am Strahlteiler nicht auf. Manche Leute sagen dann, es wähle "entweder den einen Weg zu S1 oder den anderen Weg zu S2". Es tritt immer als unteilbares Ganzes auf.

b) Einteilchen-Interferenz

Statt das Messphoton auf einen Strahlteiler zu schicken, kann man es auch durch einen Doppelspalt (oder durch ein Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer) schicken, wenigstens im Prinzip. Ein Flächensensor, z.B., der aus vielen Einzelsensoren auf dem Schirm besteht, spricht dann jeweils wie bei einem punktförmigen Teilchen an genau einer Stelle an. Welche Stelle das ist, unterliegt dem Zufall. Wiederholt man den Versuch mit vielen einzelnen Photonen sehr oft, entsteht allmählich eine Verteilung der Messereignisse wie bei einem Doppelspalt-Versuch (bzw. einem Mach-Zehnder-Interferometer). Es handelt sich um "Einteilchen-Interferenz" im Unterschied zu "Welleninterferenz", weil garantiert immer nur 1 Photon durch den Doppelspalt tritt und registriert wird. Denn, wenn man nach GRA nur Ereignisse des Flächensensors in Koinzidenz mit dem Botenphoton registriert, schließt man zufälliges Ansprechen des Flächensensors aus, auch dass gelegentlich zwei Photonen gleichzeitig auf den Doppelspalt treffen könnten.

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( Mai 2014 )