Quantenmechanik

Um die Atomphysik zu verstehen, ist es unumgänglich, große Teile der Quantenmechanik zu kennen. Das liegt daran, dass Atome so kleine Teilchen sind, dass die physikalischen Gesetze wie wir sie jeden Tag erleben nicht mehr gültig sind. Einige Erkenntnisse der Quantenmechanik möchte ich auf diesen Seiten vorstellen.

Den Namen hat die Quantenmechanik von der Tatsache, dass die Objekte, mit denen sich die Theorie beschäftigt gequantelt sind. Dass heißt sie kommen nur in bestimmten Mengen (Quantitäten) vor. Für Teilchen ist diese Aussage nicht überraschend: Wenn es unteilbare Teilchen gibt (z.B. die Elektronen), dann können nie Bruchstücke von ihnen vorkommen. Das neue an der Quantentheorie ist jedoch, dass die Elektronen eines Atoms nicht jede beliebige Energie annehmen können. Diese Quantisierung der Energie postulierte Niels Bohr erstmals im Bohrschen Atommodell.

Auch Licht in tritt in Quanten auf. Das ist deshalb so überraschend, weil man Licht eigentlich sehr gut als Strahl oder Welle, nicht aber als Teilchen beobachten kann. Im Photoeffekt, den Albert Einstein erstmals erklärte, kann der Quantencharakter des Lichts beobachtet werden. Dieser Effekt ist Grundlage der Photoelektronenspektroskopie, einer wichtigen Methode zur Analyse chemischer Stoffe.

Quantisierung

Den ersten Hinweis auf eine Quantisierung des Lichts gab Max Planck, als er mit einfachen Voraussetzungen die Strahlung schwarzer Körper berechnen konnte. Planck glaubte jedoch damals noch nicht an eine allgemeine Quantisierung, diese war für seine Theorie nur eine vereinfachende Annahme. Der Erfolg der Planck-Theorie brachte Niels Bohr jedoch dazu, die Quantisierung des Lichts auch für sein Atommodell anzunehmen.

Heute ist man sicher, dass Licht tatsächlich allgemein quantisiert ist. Die Quanten des Lichts nennt man Photonen. Sie werden oft als Teilchen beschrieben, man sollte sich jedoch keine Teilchen im eigentlichen Sinne vorstellen. Photonen kommen nie in Ruhe vor, man kann sie nicht abbremsen oder an einem Ort festhalten.

Quantenobjekte - Wellen oder Teilchen?

So wie das Licht offenbar auch Teilcheneigenschaften hat, so haben typische Teilchen - wie Elektronen, Atomkerne und auch ganze Atome - auch Welleneigenschaften. Was sind diese "Dinger" nun? Wellen oder Teilchen? Die Antwort ist "weder, noch" oder "sowohl, als auch". Wichtig ist, dass quantenmechanische Objekte nie nur Teilchen oder nur Wellen sind. Sie haben immer Eigenschaften von beiden. In der Quantenmechanik spricht man deshalb meist von Zuständen, diese kann man in der Regel als Wellenfunktionen darstellen, wobei die philosophische Interpretation hiervon umstritten ist.

Quantenobjekte sind also weder als Wellen noch als Teilchen zu verstehen. Leider hat sich dennoch der Begriff Elementarteilchen für die grundlegenden Objekte der Quantenwelt durchgesetzt. Wenn hier von Teilchen die Rede ist sind also stets Objekte gemeint, die Teilchen- und Wellencharakter haben.

Dass alle Quantenobjekte sowohl Wellen als auch Teilchen sind, heißt selbstverständlich nicht, dass es keine unterschiedlichen Arten von Elementarteilchen gibt. Unterschiedliche Teilchen kann man in der Quantenmechanik anhand grundlegender Eigenschaften unterscheiden.

Vielteilchentheorien

Obwohl es schon sehr aufschlussreich ist den Zustand eines einzelnen Teilchens beschreiben zu können, ist es oft notwendig Zustände zu verstehen die viele Teilchen umfassen. So enthalten fast alle Atome mehr als ein Elektron und die Gegenstände des täglichen Lebens bestehen aus sehr vielen Atomen.

Eine wichtige Frage in der Vielteilchentheorie ist, ob es möglich ist, zwei Teilchen voneinander zu unterscheiden, oder nicht. Unterschiedliche Teilchen gehorchen einer grundlegend anderen Physik, als gleiche Teilchen. Diesem Umstand habe ich eine eigene Seite gewidmet.

In der Quantenwelt können zwei oder mehr Teilchen so eng miteinander verknüpft sein, dass man sie nicht unabhängig voneinander beschreiben kann. Diese Teilchen befinden sich dann in einem gemeinsamen verschränkten Zustand. Solche Zustände sind z.B. wichtig für den Einsatz von sogenannten Quantencomputern

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Letzte Änderung: 24.01.2002