In der Physik gibt es ein Phänomen, daß zur Untersuchung kleiner Strukuren wichtig ist:
Licht hat sowohl die Eigenschaften von Teilchen, die dann Photonen genannt werden, als auch die Eigenschaften einer Welle, ähnlich zu Wasserwellen. Dies ist eine Erweiterung der Modellvorstellung von Licht. Es gibt Bereiche, in denen kann man dem Licht Teilcheneigenschaften nachweisen, und es gibt solche, bei denen sich Licht wie eine Welle verhält.
Dieses Phänomen nennt man in der physikalischen Fachsprache "Welle-Teilchen-Dualismus".

Wo taucht in der Physik der Begriff bzw. die Vorstellung der Wellen auf?

Wellen kennt man z.B. von den Wasserwellen, die jeder schon einmal gesehen hat. Außerdem kennt man aus der Akustik den Begriff von Schallwellen, aber auch den der Mikrowellen.
In der Physik redet man jedoch in vielen Bereichen von Wellen. Dies liegt daran, daß sich Phänomene beobachten lassen, die auf die Eigenschaften einer Welle hindeuten.
So gibt es z.B. den großen Bereich der elektromagnetischen Wellen. Zu ihm gehören alle Strahlungen, die aus Photonen bestehen. Ein Beispiel und der für die Menschen wohl wichtigste Bereich ist das sichtbare Licht. Aber auch Radiowellen, ohne die es kein Radio,Fernsehen und Handy gäbe, und die oben erwähnten Mikrowellen gehören zu den elektromagnetischen Wellen. Weitere Bereiche sind die Infrarotstrahlung, die Ultraviolettstrahlung, die Röntgenstrahlung und auch die radioaktive Gammastrahlung.
Man sieht also, daß die elektromagnetischen Wellen einen weiten Bereich der Physik ausmachen, und das es daher notwendig ist, sich mit Wellen auseinander zu setzen.

Welche grundsätzlichen Eigenschaften hat eine Welle?

Eine Welle braucht immer ein Trägermedium.
Für Wasserwellen ist es das Wasser, für Schall ist es die Luft, für elektromagnetische Wellen braucht man nur den Raum.
Eine Welle hat immer einen Enstehungsort.
Diesen kann man als eine Art Störquelle betrachten. Wirft man z.B. einen Stein in einen ruhigen Teich, so stört der Stein die glatte Oberfläche des Teiches, und es entstehen auf der Wasseroberfläche Wellen.
Wellen bewegen sich immer von ihrem Entstehungsort weg.
Hat man einen Stein in den Teich geworfen, so entstehen Wasserwellen, die sich von der Störquelle bzw. ihrem Entstehungsort wegbewegen. Dies ist eine Eigenschaft, die nicht nur Wasserwellen haben. Man sollte jedoch bemerken, daß sich nicht das Trägermedium, z.B. das Wasser vorwärts bewegt, sondern nur die Störung. Dies kann man z.B. sehen, wenn man einen Korken auf eine Wasseroberfläche legt und an einer anderen Stelle eine Störung der Oberfläche verursacht. Der Korken wird nur auf- und abschwingen, sich jedoch nicht von der Stelle bewegen, während die Welle immer weiter wandert.
Man muß also immer zwischen der Bewegung der Welle und er des Trägermediums unterscheiden.

Welche Arten von Wellen gibt es?

Es gibt sogenannte Querwellen, bei denen die Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle schwingt. Diese Querwellen hat man z.B. bei den Wellen auf einer Wasseroberfläche.
Es gibt aber auch sogenannte Längswellen, bei denen sich die Welle in die gleiche Richtung schwingt, in der sie sich ausbreitet. Diese Art von Wellen hat man z.B. bei einer Sprungfeder.

Nun soll die Wellenlänge als eine Eigenschaft jeder Art von Welle an Beispiel von Querwellen erklärt werden. Diese Eigenschaft gilt in ähnlicher Form auch für die Längswellen!

Hier wird die Wellenlänge an Wasserwellen erklärt.

Jede Querwelle hat markante Punkte: die "Wellenberge" und die "Wellentäler".
An der Stelle, an der das Wasser seinen höchsten Punkt in der Wellenbewegung hat, spricht man von einem "Wellenberg".
An der tiefsten Stelle der Wellenbewegung spricht man von einem "Wellental".
Je nachdem, ob der Abstand zwischen zwei "Wellenbergen" mit einem dazwischen liegenden "Wellental" groß oder klein ist, spricht man von einer langen oder kurzen Wellenlänge. Diese Bezeichnung für Wellenberge und Wellentäler sowie die Wellenlänge gilt für alle Wellenerscheinungen.
Beim sichtbaren Licht sind diese kurzen oder langen Wellenlängen verantwortlich für die unterschiedliche Farben. So hat rotes Licht im Lichtspektrum die größte Wellenlänge, violett die kleinste.

Wie kann man sich den Welle-Teilchen-Dualismus vorstellen?

Betrachtet man Licht als aus Teilchen, also Photonen, bestehend, so kann man es sich wie aus vielen kleinen Kugeln zusammengesetzt vorstellen. Diese "Kugeleigenschaft" wird auf der Seite Strukturen näher erklärt.

Betrachtet man Licht als Welle, so kann man leicht die verschiedenen Farben des sichtbaren Lichtes über die Wellenlänge erklären. Dabei bedeutet eine kleinere Wellenlänge eine höhere Energie des Lichts.

Die Tatsache, daß es verschiedene physikalische Phänomene gibt, für die entweder das Teilchen- oder das Wellenmodell von Licht eine Erklärung liefert, ist ein ungelöstes Paradoxon der Physik. Da Licht beide Eigenschaften aufweist, muß man davon ausgehen, daß auch beide Modellvorstellungen in ihrer Unvereinbarkeit nebeneinander stehen müssen. Licht zeigt sich also manchmal als Teilchenstrahl, manchmal als Welle.

Nun ist es wichtig, daß auch Teilchenstrahlen aus Materieteilchen diese Welle-Teilchen-Eigenschaft besitzen. Dies ist für die Strukturuntersuchungen wichtig.

Man kann verallgemeinernd sagen:

Je höher die Energie von Teilchen ist, umso kürzer wird die Wellenlänge der Teilchenwellen.

Diese Eigenschaft wiederum ist wichtig für die Größe der Objektstrukturen, die untersucht werden sollen. Die Welleneigenschaft, konkret die Wellenlänge der Teilchen, seien es nun Materieteilchen oder Photonen, begrenzt die Auflösbarkeit der zu untersuchenden Strukturen.
Je kleiner die Strukturen sind, die untersucht werden sollen, umso kleiner muß die Wellenlänge der Probeteilchen sein.

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