In der Serie „ein kleiner Programmierer versucht die Quantentheorie zu verstehen“ wollen wir diesmal einer Frage auf den Grund gehen, die sich viele Schüler wahrscheinlich schon immer gestellt haben.
Zarwoss?
Wozu also das Ganze?
Ist mir schon jemals ein Lichtquant begegnet?
Ist das nicht Hirnwichserei von ein paar abgehobenen Professoren und –innen?
Na gut, ich könnte jetzt darauf hinweisen, dass wir niemals in der Lage gewesen wären, USB-Sticks zu entwickeln, wenn wir nicht wüßten, dass es der quantenmechanische Tunneleffekt ermöglicht, Elektronen auch einen Isolator durchqueren zu lassen.
Oder die gesamte Halbleiterlektronik und letzten Endes die Smartphones zu entwickeln, wenn uns nicht das quantenmechanische Bändermodell erklärt hätte, wie sich Elektronen in Halbleitern verhalten.
Aber nein, ich werde ganz am Anfang beginnen, also bei Max Planck und beim schwarzen Körper.
Ein schwarzer Körper ist also ein fiktiver theoretischer Körper, der jedwede elektromagnetische Strahlung hundertprozentig absorbiert, gleichzeitig jedoch eine elektromagnetische Strahlung emittiert, die nur von der Temperatur des Körpers abhängt, nicht jedoch von irgendwelchen Materialeigenschaften.
Schwarze Körper kann man näherungsweise wirklich bauen und man kann ihr Emissionsspektrum messen.
Nun haben die theoretischen Physiker versucht, dieses Emissionsspektrum theoretisch zu erklären.
Mit Hilfe der klassischen Physik konnte man jedoch nicht erklären, warum die Intensität im ultra-violetten Bereich wieder zurückging anstatt unendlich groß zu werden („Ultraviolett-Katastrophe“).
Erst Max Planck konnte diesen Verlauf auch theoretisch erklären, indem er voraussetzte, dass die Emission und Absorption der Strahlung nur in bestimmten Quanten stattfinden konnte, also nicht in jeder beliebigen Menge.
Dabei hat er dann auch eine neue Naturkonstante gefunden, das
.
Planck ging nach wie vor davon aus, dass elektromagnetische Strahlung an sich (also z.B. Wärmestrahlung, Licht, UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung) in jeder beliebigen Menge vorliegen kann, nur den Übergang vom und auf den schwarzen Körper sah er „gequantelt“.
Erst Albert Einstein hat dann in seiner mit einem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit über den photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese aufgestellt, wonach es die elektromagnetische Strahlung selbst ist, die nur in Quanten existieren kann.
Dabei hatte dann jedes Lichtquant die Energie
.
Nehmen wir zum Beispiel sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von sagen wir mal 600 nm (das ist gelbrotes Licht), dann ergibt sich die Frequenz zu
und somit die Energie eines Photons zu
.
Für 1 Watt Strahlungsleistung müßten also ca. 3 mal 1018 Lichtquanten pro Sekunde fließen. Eine unvorstellbar große Menge.
Wenn wir also bedenken, dass h eine sehr kleine Naturkonstante ist, dann sehen wir jetzt auch, dass die Quantelung sehr klein ist, dass es also gut verständlich ist, wenn uns die Quanteneffekte erst nach langer Zeit menschlicher Entwicklung aufgefallen sind.
Ein wichtiger Versuch, der nach dem photoelektrischen Effekt der zweite Hinweis auf den Teilchencharakter des Lichtes war, war der Beweis des sogenannten Compton-Effekts.
Dabei zeigt sich, dass energiereiche Strahlen (z.B. Röntgenstrahlen) beim Interagieren mit Materie (z.B. mit Elektronen) die Wellenlänge ändern können.
Das kann man als eine Impulsänderung interpretieren (ganz analog zum klassischen elastischen Stoß), wie sich später zeigen wird, kann man es aber auch so interpretieren, dass das Materieteilchen (also z.B. das Elektron) ebenfalls als Welle aufgefasst werden kann, wobei dann beide Wellen miteinander interagieren.
Diese und ähnliche Überlegungen führten letzten Endes dazu, dass Louis de Broglie postulierte, nicht nur das Licht weise einen Welle-Teilchen-Dualismus auf, sondern jedwede Materie tue dies. Das Konzept der Materiewelle war formuliert.
Letzten Endes formulierte der geniale Erwin Schrödinger die sogenannte Schrödingergleichung, die es analog zu den Newton’schen Axiomen – die für Makro-Objekte gelten – ermöglicht, den Zustand von Mikro-Objekten zu berechnen.
Der Schrödingergleichung gebührt der Platz eines Axioms, da sie viele Dinge erklärt („no quantum physics, no USB stick :-)“), selbst jedoch nicht bewiesen werden kann.
Bleibt noch zu erwähnen, dass Materiewellen selbstverständlich experimentell nachgewiesen werden konnten.
Lg
Christoph
P.S.:
Hier noch die gesamten Links dieser Serie
- Raum und Zeit und Materie (2014-04-06)
- Berechenbare Menschheit (2014-04-11)
- Auf die Wirkung kommt es an (2014-04-15)
- Alles aus Jux und Tollerei? (dieser Artikel)
- Die Welle – Aufzucht und Pflege (2014-09-13)
- Platzhalter
- Platzhalter
Christophs Blog 
[…] Alles aus Jux und Tollerei? (2014-04-19) […]
hättest du dir die Frage „Jux und Tollerei“ auch bei der relativitätstheorie gestellt?
die Frage nach dem „wozu“ stellt sich glaub ich erst am Schluss: sonst würde man ja auch bei der relativitätstheorie nicht weit kommen!
LG KNI
ps.: muss man wirklich immer bei null anfangen? haben doch andere für uns schon getan *ggg*
Gerade bei der Relativitätstheorie könnte man die Frage nach Jux und Tollerei stellen.
Nein, ich wollte herausarbeiten – und leider ist mir das offensichtlich nicht gelungen – dass neue wissenschaftliche Theorien meistens nicht „vom Geist zur Materie“ laufen, sondern umgekehrt, „von der Materie zum Geist“. Da ist positiv ein experimenteller Befund, den wir nicht erklären können. Und erst dadurch ist es gerechtfertigt, eine neue Theorie zu entwickeln.
Und bei null anfangen ist geil! Ist ja nur ein Weblog hier und keine ernstzunehmende Zeitschrift 🙂
[…] Alles aus Jux und Tollerei? (2014-04-19) […]