Experiment gibt Wellennatur des Neutrons preis

Die von dem am Atominstitut der Österreichischen Universitäten beschäftigten Wissenschaftler Helmut Rauch angeführte Forschergruppe führte ihr Experiment mit am Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble erzeugten Neutronenstrahlen durch. Um die beim Durchgang eines Neutronenstrahls durch einen dünnen Spalt auftretenden quantenmechanischen Effekte zu untersuchen, teilten die Forscher zunächst einen Neutronenstrahl mit wohldefinierter Energie in zwei Teile auf. Einer der beiden Teilstrahlen wurde im folgenden durch ein System von 186 parallel in einer Siliziumplatte angeordneten, 22,1 Mikrometer breiten und 20 Millimeter langen Spalten geschickt. Der andere Teilstrahl wurde an der Spaltplatte vorbeigeführt und hinter dieser mit dem die Platte durchquerenden Teilstrahl überlagert.

Da die beiden Teilstrahlen von ihrer Trennung bis zu ihrer anschließenden Wiedervereinigung unterschiedliche Wege durchlaufen hatten, führte ihre Überlagerung zu Interferenzeffekten in der Intensität des wiedervereinigten Strahles, die mit einem Neutronendetektor untersucht werden konnten. Die Forscher kamen so zu dem Schluss, dass der den Spalt durchquerende Strahl an diesem einen Phasensprung von 2,8 Grad erfahren hatte ? obwohl die Neutronen des Strahls die Spaltwände nicht berühren. Dies ist ein direkter Nachweis der Wellennatur der Neutronen ? sie sind bei diesem Experiment durch Wellenpakete beschreibbar, die eine viel größere Ausdehnung als den Durchmesser des Neutrons aufweisen.

Dieser Welle-Teilchen Effekt ist in der Tat dramatisch: Neutronen weisen einen Durchmesser von nur ungefähr 1,4 Femtometern auf ? dies ist eine Dezimalzahl mit 14 Nullen nach dem Komma. Da die Breite der in dem Experiment verwendeten Spalte mit 22,1 Mikrometern um zehn Zehnerpotenzen größer als dieser Durchmesser ist, muss auch die Breite des Neutron-Wellenpakets den Neutronendurchmesser um zehn Größenordnungen überschreiten. Man stelle sich dazu ein Auto vor, das genau in der Mitte eines Tunnels fährt, der eine Breite von der Größenordnung der Entfernung zwischen Erde und Sonne hat, und doch den Einfluss der Tunnelwände spürt.

Die Größe des beim Durchgang des Neutronenstrahles durch den Spalt auftretenden Phasensprungs lässt sich durch eine Analyse der Geschwindigkeitskomponenten der Neutronen erklären. Quantenmechanische Effekte führen zu einer Quantelung der Impulskomponenten parallel zur Ebene des Spaltes, und dies wiederum führt zu einer Phasenverschiebung der Komponenten der Neutronenwellenpakete in Strahlrichtung. Dieses Experiment ist in gewisser Weise analog zu den Spaltversuchen des berühmten Physikers Young im 19. Jahrhundert, der mit analogen Experimenten die Wellennatur des Lichts nachgewiesen hatte.