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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.