Bewegte Elektronen haben Welleneigenschaften. Wie lässt sich diese Behauptung des Physikers Luis de Broglie experimentell beweisen? Der Beitrag behandelt dazu einen Schulversuch (Elektronenbeugungsröhre) sowie drei historische Experimente, nämlich das Doppelspaltexperiment von Jönsson, das elektronenoptische Biprisma nach Möllenstedt und Düker und die Elektroneninterferenz nach Davisson und Germer. Die Arbeitsblätter bauen nicht aufeinander auf, können also unabhängig voneinander (auch einzeln) im Unterricht eingesetzt werden.

Die Welleneigenschaften des Elektrons gehören zum Pflichtteil der Oberstufenphysik im Grund- und Leistungskurs. In den neuen Kernlehrplänen für die Sekundarstufe II in NRW wird „Das Elektron als Quantenobjekt“ im Grundkurs sogar als besonderes Schwerpunktthema ausgewiesen.

Üblicherweise wird im Unterricht die Elektronenbeugungsröhre behandelt, die hervorragend geeignet ist, das Phänomen der Elektronenbeugung eindrucksvoll zu zeigen und quantitativ auszuwerten. Neuerdings wird auch der Doppelspalt-Versuch von Jönsson (geb. 1930) als unterrichtliche Möglichkeit vorgeschlagen. Dieser Versuch besticht durch seine Einfachheit und seine direkte Anbindung an wellenoptische Phänomene.

Für den Grundkurs sind diese beiden Versuche völlig ausreichend, um die Welleneigenschaften bewegter Elektronen experimentell zu untermauern. In einem Leistungskurs sollten Sie aber durchaus weitere bedeutende Versuche zum Thema Materiewellen anbieten. Neben der Elektronenbeugungsröhre und dem Jönsson-Versuch werden in diesem Beitrag daher das Experiment von Davisson (1881–1958) und Germer (1896–1971) sowie der Versuch von Möllenstedt (1912–1997) und Düker am elektronenoptischen Biprisma beschrieben.

Davisson erhielt für seine Arbeiten zur Beugung von Elektronen an Kristallstrukturen 1937 den Nobelpreis, denn seine Experimente waren grundlegend für den Beweis der Hypothese von de Broglie (1892– 1987). Leider wird der Versuch in zahlreichen Veröffentlichungen im Internet und Schulbüchern nicht richtig dargestellt. Wir haben uns bemüht, hier für etwas mehr Klarheit zu sorgen. Das Experiment von Möllenstedt und Düker zeigt die direkte Überlagerung von zwei kohärenten Elektronenstrahlen. Beugungs- und Streuungs-effekte spielen dabei keine Rolle, was dieses Experiment besonders interessant erscheinen lässt.

Das Wichtigste auf einem Blick:

• Klasse: 12
• Dauer: 2–8 Stunden
• Ihr Plus:
  • Materialien sind unabhängig voneinander einsetzbar
  • zwei Computersimulationen
  • Wiederholungsblatt
• Inhalt:
  • Vier didaktisch aufbereitete Experimente zum Nachweis der Wellennatur des Elektrons:
    • Beugung und Interferenz von Elektronen an einem Ni-Kristall
    • Elektroneninterferenz an einem elektronenoptischen Biprisma
    • Elektronen am Doppelspalt
    • Elektronenbeugungsröhre