Die Bildröhre des Fernsehers, die Braun’sche Röhre, ist ein einfacher Linearbeschleuniger für Elektronen.
Abbildung 1.: Aufbau eines Fernsehers
In der Braun’schen Röhre befindet sich ein Glühdraht. Zwischen diesem Glühdraht und einer Anode ist eine Spannung von ungefähr 20 kV angelegt, so dass der Glühdraht zur Kathode wird. Zwischen Anode und der Glühkathode befindet sich so eine Beschleunigungsstrecke für die Elektronen. Der beschleunigte Elektronenstrahl wird durch Ablenkeinheiten, die homogene Magnetfelder erzeugen, auf den Bildschirm gelenkt. Der Bildschirm entspricht in diesem Fall dem Detektor.
Die durch die Braun’sche Röhre fliegenden freien Elektronen sind identische Elementarteilchen. Im Folgenden soll überlegt werden, was passieren würde, wenn Elektronen unterscheidbar wären. Überlegen Sie welche Auswirkungen sich bei unterschiedlichen Elektroneneigenschaften im Fernseher zeigen würden!
Wollen Sie einen ersten Tipp?
Überlegen Sie sich, was die Ununterscheidbarkeit für Elektronen bedeutet. Welche Eigenschaften haben die identischen Elektronen alle gemeinsam?
Hier eine weitere Lösungshilfe:
Verfolgen Sie den Weg der unterscheidbaren Elektronen im Fernseher, von ihrer Freisetzung in der Braun’schen Röhre bis zur Registrierung auf dem Bildschirm. Wo macht sich eine Abweichung der Ladung oder der Masse der Elektronen bemerkbar?
Sind Sie sicher, dass Sie es ausreichend selbst versucht haben?
Dies
ist die Lösung der Aufgabe:
Wären die Elektronen nicht alle identisch, würden sich unterschiedliche Beschleunigungen in der Braun’schen Röhre durch das elektrische Feld ergeben. Auch würden die Elektronen nicht in die richtige Richtung abgelenkt werden. Im Magnetfeld der Ablenkeinheiten würde die Ablenkung unterschiedlich geladener Elektronen verschieden stark ausfallen. Auf dem Bildschirm könnten falsche Bildpunkte aufleuchten. Es würde sich kein sinnvolles Bild mehr ergeben.
Erstaunlicherweise lässt sich feststellen, dass wären Elektronen unterscheidbar, dann würde unser Fernseher bereits kein Bild mehr erzeugen. Auch wenn in diesem Beispiel nur die Ununterscheidbarkeit von Masse und Ladung betrachtet wird, ist die Ununterscheidbarkeit eine wirklich erstaunliche Eigenschaft der Elementarteilchenphysik. In der klassischen Physik gibt es dagegen nie zwei völlig identische Objekte. Um diese Gegenstände zu unterscheiden reicht es bereits aus, dass sich ein Elektron eines Atoms in einem Gegenstand in einem anderen angeregten Zustand befindet als in einem anderen Objekt.
Bei einer quantenmechanischen Betrachtung der Ununterscheidbarkeit würde sich die Betrachtung auf die ununterscheidbaren Wellenfunktionen der Elektronen ausweiten.