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Entwicklung der Quantenphysik (Arikelserie)

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I: Einleitung. Spontan habe ich mich dazu entschieden, eine mehrteilige Artikelserie über die Entwicklung der Quantenphysik zu schreiben.

I: Einleitung

So gut wie jeder hat schon einmal davon gehört, doch da dieses Konzept der Quantenmechanik für uns so unintuitive und den Alltagserfahrungen vollkommen widersprechende Aussagen beinhaltet, ist es den meisten fremd und unverständlich. Schlagwörter wie Schrödingers Katze, Heisenberg'sche Unschärferelation, Quantenteleportation, usw... sind sicher vielen von euch bekannt.

Doch diese werden oft missverstanden und falsch interpretiert. Abgesehen davon habe ich oftmals schon Fragen wie "Was ist dieses Quanten-Zeugs eigentlich? ", "Warum braucht man das eigentlich? " Unter anderem aus diesen Gründen werde ich also einige Artikel - wie viele es werden, weiß ich noch nicht - über die Quantenphysik schreiben. Alle anderen Artikel dieser Serie sind hier zu finden. Was ist die Natur des Lichts? Diese Frage wurde besonders im 18. Was ist die Natur des Lichts jetzt aber wirklich? II: Die Quantenhypothese. Im ersten Teil der Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik wurde erklärt, was Hohlraumstrahlung ist und warum man eine kleine Öffnung im Hohlraum als schwarzen Strahler betrachten kann.Dieses Mal soll ein Gesetz für die Hohlraumstrahlung gefunden, widerlegt und durch ein neues ersetzt werden.

II: Die Quantenhypothese

Wie bereits angekündigt, handelt es sich bei diesem neuen Gesetz um ein für damalige Zeiten völlig ungewöhnliches - immerhin wirft es grundlegende alte Vorstellungen über den Haufen. (Lasst euch nicht von den wenigen Formeln abschrecken! Diese sind nur der Vollständigkeit halber hier und müssen nicht verstanden werden.) III: Der Photoeffekt wird erklärbar. IV: Licht und Teilchen - alles das selbe? Nachdem in den vorhergehenden Artikeln beschrieben wurde, dass Licht nur in kleinen Energiepaketen - sog.

IV: Licht und Teilchen - alles das selbe?

V: Der Zufall kommt ins Spiel. Der letzte Artikel hat viele Fragen offen gelassen!

V: Der Zufall kommt ins Spiel

Wie sich herausgestellt hat, kann man Eigenschaften, von denen man vorerst glaubte, dass sie nur auf Photonen - die kleinsten Energiepakete der elektromagnetischen Strahlung - zutreffen, auch auf "Teilchen" wie Elektronen, Neutronen, Atome, etc. anwenden. Als logische Konsequenz dessen muss man einem Teilchen plötzlich eine charakteristische Wellenlänge zuordnen - die sog. de Broglie-Wellenlänge. Eigentlich schon ziemlich verrückt, oder? Wir haben gesehen, dass sich Elektronen (und auch andere Teilchen) in Experimenten genauso wie Photonen (also wie z.

B. Alle anderen Artikel dieser Serie sind hier zu finden. Um ein Teilchen als Welle zu beschreiben, stellt man es in einer mathematischen Form dar, die der eines Lichtteilchens gleicht. VI: Grenzen der Bestimmbarkeit. Mittlerweile ist einige Zeit vergangen, seit ich den letzten Artikel zur Entwicklung der Quantenphysik geschrieben habe.

VI: Grenzen der Bestimmbarkeit

Doch hier und jetzt geht's weiter! ;-) (Falls jemand die vorhergehenden Artikel dieser Serie noch nicht gelesen hat - hier sind sie zu finden!) Die Unbestimmtheitsrelation, welche vom Physiker Werner Heisenberg formuliert wurde, stellt nichts anderes als eine logische Konsequenz aus der Beschreibung von Materie durch Wellenfunktionen dar. VII: Wie sehen Atome aus? Als Max Planck 1874 seinen Physikprofessor in München fragte, wie denn die beruflichen Aussichten nach einem Physikstudium seien, wurde ihm geraten, nicht Physik zu studieren, denn nach der damaligen Ansicht vieler Physiker war "in dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht" und es galt "nur noch, einige unbedeutende Lücken zu schließen".

VII: Wie sehen Atome aus?

Eine dieser "unbedeutenden Lücken" war das Problem der Ultraviolett-Katastrophe der Hohlraumstrahlung. Planck gelang es, diese Lücke mit seiner Quantenhypothese zu schließen. Wie sich jedoch herausgestellt hatte, war dieses Problem alles andere als nur ein unbedeutendes und kleines - vielmehr stellte seine Lösung unser ganzes physikalisches Weltbild auf den Kopf und legte einen Grundstein für eine neue, umfangreiche und äußerst präzise Theorie: die Quantenphysik. Hätte Plancks ehemaliger Physikprofessor gewusst, dass sein Schüler einer der bedeutendsten Physiker aller Zeiten werden wird, hätte er ihm wohl niemals vom Physikstudium abgeraten.

VIII: Das Planetenmodell. Der letzte Artikel stellte folgendes Problem vor: Atome absorbieren und emittieren nur Strahlung bestimmter Energie.

VIII: Das Planetenmodell

Für das Wasserstoffatom gibt es eine einfache Formel, die die Absorptions- bzw. Emissionslinien beschreiben kann. IX: Der verblüffende Versuch (1/2) Wir haben bisher besprochen, dass Licht aus einer Vielzahl von winzigen, unteilbaren Energiepaketen besteht, den sog.

IX: Der verblüffende Versuch (1/2)

Lichtquanten oder Photonen. Diese Vorstellung war neu, denn Licht wurde zuvor großteils als Welle angesehen. X: Der verblüffende Versuch (2/2) Das letzte Mal habe ich über eines der berühmtesten physikalischen Experimente aller Zeiten geschrieben.

X: Der verblüffende Versuch (2/2)

Der Young'sche Doppelspalt-Versuch und seine verschiedenen Variationen zeigen tatsächlich sehr demonstrativ, welche kuriosen Überraschungen die Quantenmechanik für uns bereithält, wenn man im Rahmen der klassischen Physik denkt. Wir haben gedanklich bereits makroskopische Teilchen (Farbtröpfchen) und Licht (in Form von Photonen) durch einen Doppelspalt geschickt. Dabei wurde hoffentlich der Unterschied zwischen der Intensitätsverteilung klassischer Teilchen hinter dem Spalt und der Intensitätsverteilung quantenmechanischer Teilchen (in unserem Fall Photonen) deutlich. Die Intensitäten der Teilchenstrahlen durch die einzelnen Spalten werden im klassischen Fall einfach zusammengezählt und ergeben somit ganz intuitiv die Gesamtintensität.

XI: Worum ging es nun eigentlich? - Ein Resümee. Das Bohr'sche Atommodell (ergänzender Artikel) Im achten Teil der Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik habe ich das Bohr'sche Atommodell ("Planetenmodell") mit Worten beschrieben.

Das Bohr'sche Atommodell (ergänzender Artikel)

Es ist aber auch nicht besonders schwierig, ein bisschen Mathematik hinter diesem Konzept nachzuvollziehen. Für Interessierte werde ich dieses Atommodell nun also auf eine andere Art beschreiben, die wohl tiefere Einblicke bieten kann. Dieser Artikel ist, allgemein verglichen mit meinen anderen Artikeln, eher von mathematischer und technischer Natur, wobei ich versuche, das Thema dennoch so verständlich wie möglich aufzubereiten.

Im Bohr'schen Atommodell (Niels Bohr, 1885-1962) umkreist ein Elektron den Atomkern, z.B. ein Proton (Wasserstoffatom). Masse des Elektrons...me Geschwindigkeit des Elektrons...v Radius der Elektron-Kreisbahn...r Kernmasse (allgemein)...mK Kernladung (allgemein)... Die radial zum Zentrum des Kraftfeldes wirkende Kraft (Zentripetalkraft) ist die Coulombkraft.