Quantenphysik
Die Quantenphysik beschäftigt sich mit dem Verhalten und der
Wechselwirkung der kleinsten Teilchen die es laut Meinung der Quantenphysiker
gibt. Seit Werner Heisenberg 1927 die Quantenphysik als endgültig
und in sich widerspruchsfrei erklärt hat, geht es in der Quantenphysik
nicht mehr darum, wer recht hat, was richtig oder falsch ist sondern
nur noch um die Bedeutung der Quantenmechanik und ihrer Folgen.
Eine Unterscheidung, zum Beispiel, ob ein Objekt als Teilchen oder
Welle auftritt obliegt offensichtlich der Beobachtung bzw. Untersuchung
desselben.
Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Die Quantenphysik
sucht Erklärungen für diese Phänomene, um unter anderem
die Berechnung der physikalischen Eigenschaften im Bereich sehr
kleiner Längen- und Massenskalen zu ermöglichen.
Quantenphysik stellt ein Begriff dar, der verschiedene Theorien
einschließt, wie Quantenmechanik, Quantenelektrodynamik und
auch das Bohrsche Atommodell.
Das Bohrsche Atommodell, Albert Einsteins Erklärung des photoelektrischen
Effekts und das Strahlungsgesetz von Max Planck gehören zu
den sogenannten alte Quantetheorien.
Alte, frühe oder semiklassische Quantentheorien sindTheorien,
die zwar die Quantisierung bestimmter Größen postulieren
und eventuell auch mit der Welle-Teilchen-Dualität begründen,
jedoch nicht tiefere Einsichten in die zugrundeliegenden Mechanismen
erlauben. Insbesondere lieferten diese Theorien keine Vorhersagen,
die über ihren entsprechenden Gegenstand hinausgingen.
Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt eine Formel der Frequenzverteilung
in Bezug der von einem Schwarzkörper emittierten Strahlung.
Dabei ging Max Planck davon aus, dass der schwarze Körper aus
Oszillatoren mit diskreten Energieniveaus besteht. Die Energie wurde
dabei von Planck nicht als Eigenschaft des Lichtes betrachtet sondern
als Eigenschaft der Materie. Er sah das Licht in seinem Modell nur
als fähig an, bestimmte begrenzte Portionen Energie mit Materie
auszutauschen weil nur bestimmte Energieniveaus in Materie möglich
seien.
Um den photoelektrischen Effekt zu erklären kam von Albert
Einstein 1905 die Idee der Quantisierung der Energie des Lichtes
selbst. Er erweiterte damit die alten Konzepte mit seinen Schlussfolgerungen
dass die Energieniveaus nicht nur innerhalb der Materie gequantelt
sind, sondern dass das Licht auch nur aus einer begrenzten Anzahl
aus Energiemengen besteht.
Der photoelektrische Effekt definiert den Effekt, dass das Licht
bestimmter Farben Eletronen aus Metall herauslöst. Proportional
zur Frequenz stehen die Energiemengen die ein Lichtstrahl dabei
abgeben kann. Mit der Wellennatur des Lichtes ist dieses Konzept
jedoch nicht vereinbar. Es wird deshalb angenommen, dass sich das
Licht weder als Welle noch als Teilchenstrom verhält.
1913 entstand das Bohrsche Atommodell. Niels Bohr verwendete die
Idee des gequantelten Energieniveaus um die Spektrallinien des Wasserstoffatoms
zu erklären. Er ging dabei davon aus, dass das Elektron im
Wasserstoffatom mit einem bestimmten Energieniveau um den Kern kreist.
Bei diesem Modell wird das Elektron noch als klassisches Teilchen
betrachtet. Es hat hier die Einschränkung dass es nur bestimmte
Energien besitzen kann.
Bohr gab keine Begründung für seine Theorien an, es war
daher nicht Möglich mit seinem Modell zu tieferen Einsichten
vorzudringen. Sein Modell wurde allerdings noch um einige Konzepte
erweitert. Arnold Sommerfeld erstellte das Konzept der elliptischen
Bahnen eines Elektrons um Spektren anderer Atome erklären zu
können. Dieses Ziel wurde jedoch mit seinen Theorien nicht
erreicht.
Der photoelektrische Effekt und das Bohrsche Atommodell konnten
mit Hilfe der Theorie von Louis de Broglie im Jahr 1924 auf denselben
Ursprung zurückgeführt werden. Diese Theorie der sogenannten
Materiewellen besagt, dass jede Materie Wellencharakter besitzen
kann, und Wellen Teilchencharakter aufweisen können.
Eine Erklärung der Atomspektren war zwar immer noch nicht
möglich, das Modell von de Broglie ging aber mit Bohrs Konzept
konform. Die Theorie der Materiewellen besagt dass die Umlaufbahnen
eines Elektrons um den Atomkern und die berechnete Wellenlänge
als stehende Materiewellen bezeichnet werden können.
Die Beugung von Elektronen wurde in zwei unabhängigen Experimenten
drei Jahre später nachgewiesen, die de Broglies Theorie bestätigten.
Interferenzmuster wurden dann vom britischen Physiker Thomson
beobachtet der einen Eletronenestrahl durch einen dünnen
Metallfilm leitete. Diese Interferenzmuster sind auch im Doppelspaltexperiment
zu beobachten (auf Youtube gibt es mehrere Filme dazu).
In einem anderen Experiment, bereits 1918 durchgeführt, beobachteten
Clinton Davisson und Lester Germer die Beugungsmuster eines an
einem Kristall reflektierten Elektronenstrahls.
Erst die Wellentheorie Louis de Broglies gab ihnen 1927 die Erklärung
für dieses Phänomen.
Quantenmechanik
Erwin Schrödinger (bekannt auch wegen des berühmten
Gedankenexperiments „Schrödingers Kattze“) erfand
1925 die Wellenmechanik. Sie beruht auch auf de Broglies Theorie
der Materiewellen. Schrödingers Ansatz ist im Grunde mit
der Formulierung der Matrizenmechanik von Werner Heisenberg, Max
Born und Pascual Jordan gleichzusetzen.
Durch die neuen Ansätze von Schrödinger und Heisenberg
ergaben sich neue beobachtbare physikalische Größen:
die Observable. Mittels Observable wurde bis zu diesem Zeitpunkt
der Größenwert, wie Ort oder Impuls eines Zustandes
bestimmt. Die Funktion der Observable wurde von Heisenberg und
Schrödinger erweitert damit eine Beugung am Doppelspalt erklärbar
wurde.Wenn man dabei durch Messung fesstellt, dass sich zwei Einzelmuster
ergeben statt ein Doppelspaltinterferenzmuster wenn man beobachtet
durch welchen der Spalte ein Teilchen fliegt, muß man davon
ausgehen, dass die Messung den zustand des Systems beeinflusst.
Das hat zur Folge dass der Zustand von Observablen und Größenwerten
getrennt werden muß, da der Zustand eines Systems nicht
mehr durch Größenwerte wie Impuls oder Ort bestimmt
werden kann.
Der quantenmechanische Zustand ersetzte das Konzept der Bahnkurve.
Der sogenannte Eigenzustand der Observablen wird bei einem Messprozess
abgebildet. Dies bezeichnet man als reellen Messwert. Es ist eine
Bedingung die Observable erfüllen müssen.
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