Quantenphysik

Grundzüge der Quantenphysik. Quantenphysik und Wirklichkeit.

Die Quantenphysik beschreibt das Verhalten sehr kleiner Objekte. John Gribbin berichtet in seinem Buch nach einer historischen Einführung die Auswirkungen der Quantentheorie, ausgehend von berühmten Gedankenexperiment um Erwin Schrödingers Katze. In einem verschlossenen Behälter ist eine lebende Katze mit einem Gefäß voller tödlichem Gift. Es gibt eine Vorrichtung, die das Gefäß zerbricht und die Katze tötet, falls ein bestimmter radioaktiver Prozess stattfindet. In unserer Alltagswelt ist die Wahrscheinlichkeit einfach 50%, dass die Katze überlebt.

In der Quantenwelt ist keine der beiden Möglichkeiten real, solange man nicht in den Behälter schaut. Es ist nicht so, dass man es einfach nicht weiß. Vielmehr wird die Katze weder getötet noch nicht getötet. Sie befindet sich in einem unbestimmten Zustand. Die Quantentheorie lehrt, dass nichts real ist, wenn man es nicht beobachtet.

Der Weg zur Quantentheorie.

Licht
Isaak Newton hielt das Licht für einen "Strom von Korpuskeln", also Teilchen. Huygens beschrieb das Licht als "Wellen im leuchtenden Äther", also als Wellen. Beide Theorien erklärten ganz gut die Effekte des Lichts wie Beugung und Brechung. Im 19. Jahrhundert setzte sich die Wellentheorie durch. Young zeigte, dass sich beim Licht wie bei Wasserwellen Interferenzen bilden, Muster aus hellen und dunklen Streifen. Maxwell beschrieb die Lichtwelle als elektromagnetische Strahlung mit wechselnden Feldern. Damit galt die Wellentheorie als bewiesen.

Wissenstand vor der Quantenphysik.

Atom
Materie besteht aus unteilbaren Atomen. Atome eines Elements sind identisch. Atome können nicht erzeugt oder zerstört, aber durch chemische Reaktionen zu Molekülen (chem. Verbindungen) neu angeordnet werden.
Gas stellte man sich als kleine, harte Kugeln in Bewegung vor. Ihr Verhalten ließe sich durch die Gesetze der Mechanik statistisch beschreiben.

Elektron
Thomson zeigte, dass der Kathodenstrahl in einer Vakuumröhre (dein VGA-Bildschirm) aus negativ geladenen Teilchen, den Elektronen besteht.

Ionen
Wenn Atome elektrisch neutral sind, herausgeschlagene Elektronen aber negativ geladen, so muss der Rest des Atoms positiv geladen sein. Die positive Strahlung besteht aus sehr viel schwereren Teilchen, den ionisierten Atomen.

Röntgenstrahlen
Röntgen entdeckte eine Sekundärstrahlung des Kathodenstrahls auf einem fluoreszierenden Schirm. Der Schirm emittiert die Röntgenstrahlung (hochenergetische elektromagnetische Wellen) nur, wenn er durch Strahlung angeregt wurde.

Radioaktivität
Uran gibt Strahlung ab, ohne zuvor angeregt worden zu sein. Curie und Rutherford zeigten, dass die Radioaktivität zur Umwandlung eines Elements in ein anderes führt. Man unterschied:
α-Teilchen, vierfache Masse des Wasserstoffatoms, doppelt positiv geladen, Heliumkern.
β-Strahlen, Elektronen
γ-Strahlen, hochenergetische elektronmagnetische Wellen

Das Innere des Atoms
Rutherford beschoss dünne Metallfolien mit α-Teilchen. Er fand, dass die meisten ungehindert hindurch gingen, einige aber abgelenkt oder reflektiert wurden. Er erklärte das mit der positiven Ladung des Atomkerns und folgerte, dass die positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern konzentriert sein muss. Rutherfords Atommodell ist ein Kern mit ganzzahliger positiver Ladung, umgeben von einer Elektronenwolke mit derselben negativen Ladung.

Ein gibt nur ein kleines Problem: Rutherfords Atommodell ist im Gegensatz zum Atom selbst instabil. Bewegte elektrische Ladung, die beschleunigt wird, gibt Energie als Strahlung ab. Würde sich das Elektron wie in einem Planetensystem um den Kern bewegen, müsste es wegen der Kreisbeschleunigung Energie abgeben und auf einer Spiralbahn in den Kern stürzen.

Doch wie können der Kern und die Elektronen feste Orte im Raum einnehmen, ohne durch die elektrische Anziehung zusammenzustürzen? Die Lösung liegt in der Wechselbeziehung zwischen Materie und Strahlung.

Der Schwarze Körper
Ein heißes Objekt strahlt elektromagnetische (el-m) Energie ab, je heißer, umso kürzer die Wellenlänge, umso großer die Energie. Die Schwingungen eines geladenen Bestandteils der Atome erzeugen el-m Wellen. Ein "schwarzer" Körper – er kann auch rot- oder weißglühend sein – absorbiert alle Strahlung.

Im Labor ist ein schwarzer Körper ein Hohlraum (Kugel) mit einem kleinen Loch, durch das Strahlung eindringt. Die Strahlung wird so lange im Inneren reflektiert, bis sie völlig absorbiert ist. Durch diese Erwärmung wird erst Wärmestrahlung, später hochenergetische Strahlung abgegeben. An einem weiteren kleinen Loch wird das Spektrum dieser Strahlung gemessen. Das Spektrum hängt allein von der Temperatur ab. Die meiste Energie wird immer in einem mittleren Frequenzbereich abgegeben. Bei Erwärmung verschiebt sich dieses Maximum zu höheren Frequenzen, bei sehr hohen Frequenzen bricht es ab. Die alte Theorie jedoch sagt bei höchsten Frequenzen unendlich hohe Energie voraus.

Max Planck entwickelte eine Formel, die den Effekt bei hohen Energien mit der alten Theorie verband. Boltzmanns Berechnung ergab, dass Energie mathematisch zerstückelt wird und die Stücke als reale Größen betrachtet werden müssen, die man der Wahrscheinlichkeitsrechnung unterwerfen kann. Das bedeutet, dass die elektrischen Oszillatoren im Atom Energie nur in Portionen bestimmter Größe – in QUANTEN – aussenden oder aufnehmen können.

Max Planck stellte diese Formel auf:
E = h x ν

ν ist die Frequenz
h ist die Planck’sche Konstante =
6,55 x10 ^-27 erg x s, eine sogenannte Wirkung.
Planck zeigte, dass es Beschränkungen der Gültigkeit der klassischen Physik gibt. Er sagte nicht, dass die Strahlung selbst quantisiert sei.

Lenard fand, dass nicht nur Elektronen, sondern auch Licht einen Kathodenstrahl auslösen kann, d.h. Licht führt Atomen Energie zu und löst Elektronen heraus. Mehr Licht führt zu mehr Elektronen immer gleicher Energie, eine höhere Frequenz führt zu schnelleren Elektronen (Photoeffekt).

Einstein wandte Plancks Formel E = h x ν auf die Strahlung an. Er postulierte:
"Licht tritt in Quanten auf. Licht einer Frequenz ν tritt in Quanten auf, die alle die gleiche Energie h x ν haben. Intensiveres Licht bedeutet mehr Quanten ( = Photonen) gleicher Energie. Eine andere Frequenz (Farbe) des Lichts verändert die Energie der Photonen.

Dafür bekam Einstein 1921 den Nobelpreis.

Nun stand man vor einer neuen Aufgabe: Die Wellentheorie und die Teilchentheorie des Lichts mussten verschmolzen werden.