Kurzfassung

Die photonenzählende Webcam

Cai-Oliver Thier, Tobias Kaufmann

zur Arbeit

Mit Hilfe einer photonenzählenden Kamera könnte man im Physikunterricht eindrucksvolle und überzeugende Versuche zum Teilchen-Welle-Dualismus von Photonen machen. Leider ist eine solche Kamera für Schulen unerschwinglich. Gelingen solche Aufnahmen aber nicht auch mit einer normalen Digitalkamera? Die Antwort ist ein klares Nein, denn die Elektronik des CCD-Sensors in der Kamera ist nicht empfindlich genug um einzelne Photonen des Lichts zu detektieren. Die Photonen der Röntgenstrahlung sind jedoch wesentlich energiereicher. Kann man also mit einer handelsüblichen Digitalkamera ohne Einsatz eines Leuchtschirmes Röntgenstrahlung detektieren? Die weitverbreitete Meinung lautet ebenfalls Nein. Doch unsere Experimente mit einer Webcam und einem Schülerröntgengerät zeigten, dass bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung mehrere Pixel pro Einzelbild zu sehen waren. Durch Aufaddieren der einzelnen Bilder mit dem Programm Giotto versuchten wir mithilfe von Kristallen ein Laue-Interferenzmuster aufzuzeichnen. Dies gelang uns nicht, da der CCDSensor der Webcam deutlich kleiner als das Interferenzmuster ist. Der Einsatz einer digitalen Spiegelreflexkamera mit größerem CCD-Sensor war uns aus sicherheitstechnischen Gründen verwehrt, da sich bei ihrem Einsatz die Abdeckung des Röntgengerätes nicht mehr schließen ließ. Der Durchbruch gelang uns aber mit unserer Webcam, als wir mittels Braggreflexion und Drehkristallmethode ein Röntgenspektrum aufzeichneten. Die Interferenzreflexion am Kristall lässt sich nur mit dem Wellenmodell erklären. Die registrierten Subpixel zeigen aber, dass die registrierte Strahlung Teilchencharakter besitzt. Addiert man alle Einzelbilder mit Giotto, so erhält man die vertraute Intensitätsverteilung.

Mit unserer preiswerten Methode können Physikschüler in einer Doppelstunde durch selbstständiges Experimentieren nachvollziehbar erfahren, dass elektromagnetische Wellen weder Wellen im klassischen Sinne sind, noch aus Teilchen im klassischen Sinne bestehen. Sie erleben, dass Photonen Quantenobjekte sind, über deren Auftreffort auf dem CCD- oder CMOS-Chip man nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen kann. Erst bei einer großen Zahl an auftreffenden Photonen erkennt der Schüler das aus der klassischen Physik bekannte Interferenzmuster.

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