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Quantenphysik
Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den Vorgängen im atomaren und subatomaren Bereich der Natur. In der Quantenphysik laufen Prozess statt kontinuierlich in kleinen Quantensprüngen ab. Das Wirkungsquantum h charakterisiert den ganzen Bereich der Quantenphysik.
Enstehungsgeschichte
Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine Formel zur Beschreibung der gemessenen Frequenzverteilung der von einem Hohlraum. Planck ging davon aus, dass sich im Innern des Hohlraumes durch thermische Anregung der Wändes tehende elektromagnetische Wellen ausbilden. Gemäss dem Äquipatitionsgesetz von Ludwig Boltzmann müsste jeder Wellenmodus die Energie W = k T aufnehmen. Weil die Zahl der Modi mit der Frequenz der Wellen zunimmt, müsste der Hohlraum schon bei tiefer Temperatur von beliebig vielen sehr kurzwelligen Schwingung überfüllt sein. Die Energie und auch die Entropie der Hohlraumstrahlung würde jeden endlichen Wert übersteigen. Um diese Divergenz zu unterbinden, postulierte Planck ein Wirkungsquantum, das die möglichen Energiestufen einer stehenden elektromagnetischen Welle mit deren Frequenz f verknüpft
- W = nhf
Planck betrachtete diese Quantelung der Energie also als Eigenschaft der Materie und nicht des elektromagnetischen Feldes selbst.
Albert Einstein erweiterte dieses Konzept und schlug im Jahr 1905 eine Quantisierung der Energie des Lichtes selbst vor, um den photoelektrischen Effekt zu erklären. Gemäss der klassischen Vorstellung müssten die Elektronen, die durch Licht aus dem Metall heraus geschlagen werden, umso mehr Energie besitzen, je grösser die Intensität des einfallenden Lichts ist. Beobachtet worden ist, dass die Zahl der Elektronen mit der Intensität zunimmt, die Energie der Elektronen aber von der Frequenz des Lichtes abhängt. Daraus schloss Einstein, dass die Energieniveaus nicht nur innerhalb der Materie gequantelt sind, sondern dass das Licht ebenfalls Energieportionen (Photonen) besteht.
1913 verwendete Niels Bohr das Konzept gequantelter Energieniveaus um die Spektrallinien des Wasserstoffatoms zu erklären. Das nach ihm benannte Bohrsche Atommodell geht davon aus, dass der Bahndrehimpuls des Elektrons im Wasserstoffatom quantisiert ist. Das Elektron wird hierbei noch als klassisches Teilchen betrachtet, das sich im Potenzial des Protons bewegt. Das Bohrsche Atommodell wurde noch um einige Konzepte wie elliptische Bahnen des Elektrons erweitert, insbesondere von Arnold Sommerfeld, um auch die Spektren anderer Atome erklären zu können. Dieses Ziel wurde jedoch nicht zufriedenstellend erreicht.
Im Jahr 1924 veröffentlichte Louis de Broglie seine Theorie der Materiewellen, wonach auch Teilchen mit einer Ruhemasse Wellencharakter besitzen. Seine Theorie führte den photoelektrischen Effekt und das Bohrsche Atommodell auf einen gemeinsamen Ursprung zurück. Die Umlaufbahnen des Elektrons um den Atomkern wurden als stehende Materiewellen aufgefasst. Eine Erklärung der anderen Atomspektren war jedoch weiterhin nicht möglich.
De Broglies Theorie wurde drei Jahre später in zwei unabhängigen Experimenten bestätigt, in denen die Beugung von Elektronen nachgewiesen wurde. Der britische Physiker George Paget Thomson leitete einen Elektronenstrahl durch einen dünnen Metallfilm und beobachtete die von de Broglie vorhergesagten Interferenzmuster. In einem ähnlichen, bereits 1919 in den Bell Labs durchgeführten Experiment beobachteten Clinton Davisson und sein Assistent Lester Germer die Beugungsmuster eines an einem Nickel-Kristall reflektierten Elektronenstrahls. Die Erklärung gelang ihnen jedoch erst 1927 mit Hilfe der Wellentheorie De Broglies.
Quantenmechanik
Die Quantenmechanik ist im Jahr 1925 mit der Formulierung der Matrizenmechanik durch Werner Heisenberg, Max Born und Pascual Jordan begründet worden. Wenige Monate später formulierte Erwin Schrödinger ausgehend von De Broglies Theorie der Materiewellen die Wellenmechanik. Schrödinger konnte kurz darauf nachweisen, dass sein Ansatz der Matrizenmechanik äquivalent ist.
Die Quantenmechanik bezieht den Messprozess in die Beschreibung des Systems mit ein. Es werden nicht alle im klassischen Sinne möglichen Zustände (Ort, Impuls, Orientierung, Drehimpuls) beschrieben, sondern nur eine beschränkte Zahl von Observablen (Ort oder Impuls bzw. Quadrat und eine Komponente des Drehimpulses). Eine Messung erzeugt einen reinen Zustand bezüglich der durch den Messprozess festgelegten maximalen Satz von Observablen. Wird danach eine zweite Messung bezüglich eines zweiten Satzes von Observablen ausgeführt, befindet sich das System vorerst in einem gemischten Zustand. Die Messung erzeugt dann wieder einen reinen Zustand, wobei nur gesagt werden kann, mit welcher Wahrscheinlichkeit der alte Zustand in einen der möglichen reinen Zustände überführt wird. Eine Folge dieses neuartigen Observablenbegriffs ist, dass bei mehreren Messprozessen bezüglich verschiedener Observablen ihre Reihenfolge festgelegt werden muss. Werden zwei solche Messungen einmal in der einen und einmal in der andern Reihenfolge ausgeführt, unterscheidet sich das Ergebnis durch die so genannte Unschärferelation. Für Ort und Impuls wurde diese Relation erstmals von Heisenberg im Jahr 1927 beschrieben.
1927 formulierten Bohr und Heisenberg die Kopenhagener Interpretation, die auch als orthodoxe Interpretation der Quantenmechanik bezeichnet wird. Sie stützte sich auf den Vorschlag von Born, den Betragsquadrat der Wellenfunktion, die den Zustand eines Systems beschreibt, als Wahrscheinlichkeitsdichte aufzufassen.
In den Jahren ab ca. 1927 vereinigte Paul Dirac die Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie. Er führte auch erstmalig die Verwendung die Operator-Theorie inklusive der Bra-Ket-Notation ein. Zur gleichen Zeit formulierte John von Neumann eine streng mathematische Basis der Quantenmechanik. Der Ausdruck „Quantenphysik“ wurde erstmals 1931 in Max Planck's Buch „The Universe in the Light of Modern Physics" verwendet.