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Physics

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Eugen-Bolz-Gymnasium Rottenburg

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1.   Was ist Quantenphysik?


1.1. Der Begriff Quant

Der Begriff „Quant“ kommt von dem lateinischen „quantum“ und bedeutet so viel wie „wie groß“ / „ wie viel“

Als Quant bezeichnet man „ein Objekt, das durch einen Zustandswechsel in einem System mit bestimmten Werten einer physikalischen Größe (meist Energie) erzeugt wird.“[1]


1.2. Quantenphysik allgemein


Die Quantenphysik ist das Gebiet der Physik, das sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen befasst. Bei den kleinsten Teilchen herrschen andere Gesetz als bei den makroskopischen Körpern.

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den Eigenschaften der Elementarteilchen und geht davon aus, dass Energie paketweise, also in Form von Quanten und nicht kontinuierlich existiert.

Ein Beispiel für eine makroskopische Sichtweise wäre:

·        Makroskopisch ist ein Gas homogen

·        Mikroskopisch besteht es aus einzelnen Molekülen mit viel leerem Raum dazwischen[2]


1.3. Quanteneffekte


Was genau sind Quanteneffekte?

Die Welt der „Quanten“ ist sehr komplex und deren Regeln führen immer wieder zu neuen Phänomenen und Materiezuständen. Dinge scheinen zu verschwimmen. Beispiele dafür wären, dass Licht als Teilchen oder als Welle auftreten kann, dass sich Ort und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig beliebig genau messen lassen, oder dass entfernte Teilchen auf seltsame Weise miteinander verschränkt sein können.[3]


1.4. Unterschied Quantenphysik und klassische Physik


·         Verlust der Genauigkeit: Den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens kann man gleichzeitig nicht beliebig genau messen. Die Beobachtung selber beeinflusst den Ausgang des Experiments.

·         Ende des Determinismus: Nur noch mit der Wahrscheinlichkeit kann man das künftige Verhalten eines Teilchen vorhersagen.

·         Doppelnatur von Teilchen und Wellen: Welche Eigenschaft auftritt ist abhängig vom Experiment[4]


2.   Max Planck


Max Planck wird am 23.April 1858 in Kiel als Sohn des Juraprofessors Wilhelm Planck geboren. Im Alter von 16 Jahren beginnt er sein Physikstudium in München. 1886 heiratete er Marie mit der er vier Kinder groß zog. 8 Jahre später wird er Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften.

Kurz vor dem Jahrhundertwechsel entdeckt Planck die heute nach ihm benannte Naturkonstante, das Plancksche Wirkungsquantum. Daraufhin revolutionierte er die klassische Physik mit der von ihm entworfenen Quantenphysik und macht sie zu einem Grundlagenfach der Wissenschaft.

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Doch erst nachdem Einstein weitere Deutungen herausfand, gelang der Quantenphysik 10 Jahre später der Durchbruch. Zwischen 1905 und 1909 wird Planck zum Vorsitz der deutschen Physikalischen Gesellschaft. Nach dem 1. Weltkrieg verleiht das Nobelpreiskomitee Planck den Nobelpreis für die Begründung der Quantenphysik. 1949 stirbt Max Planck in Göttingen und gilt heute noch als einer der größten Physiker.[5]


3.   Plancksche Wirkungsquantum

Ein sehr wichtiges Element der Quantenphysik, oder besser gesagt die Ursache für die Entdeckung der Quantenphysik ist das Plancksche Wirkungsquantum, dass von Max Planck 1900 entwickelt wurde.

Das Plancksche Wirkungsquantum, wird mit dem Formelzeichen h abgekürzt, ist eine Naturkonstante mit einen unvorstellbar kleinem Wert von 6,6262 * 10-34 Joule * Sekunde

Diese Größe ist für viele Effekte in der Quantenphysik verantwortlich[6]


4.   Entstehung der Quantenphysik


1704 besagte Isaac Newton, dass das Licht aus Teilchen bestehe, mit dem der Physiker Christian Helfens mit seiner These, dass Licht aus Wellen bestehe, nicht einverstanden war. Letztendlich setzte sich aber Newtons These durch.

Ungefähr ein halbes Jahrhundert später stellte der amerikanische Physiker Thomas Young fest, dass Licht sich doch ähnlich wie Wasserwellen fortbewegt.

Die klassische Physik ging davon aus, dass bei steigender Wärmezufuhr die Lichtstrahlung zunehmen müsse. Doch bei genauerem Hinsehen erkannte man, dass diese Annahme Fehler aufweist. Zum Beispiel wenn man Stahl erwärmt, müsste dieser, laut der klassischen Annahme, solange seine Farbe verändern und schließlich ultra-violett werden.

Was nicht geht, da ultra-iolett unsichtbar ist. Und genau diesen Widerspruch irritierte die Wissenschaftler.

Deshalb untersuchte Max Planck über 5 Jahre mit den Instrumenten der klassischen Physik dieses Phänomen, doch er konnte nicht auf ein schlüssiges Ergebnis kommen. In seiner Verzweiflung wirft er all seine bisherigen Überzeugungen über den Haufen.

Die gesamte Energie kann dabei nur ein Vielfaches jenes Quantums betragen, das Planck Wirkungsquantum (h) nennt. In seinem Gesetz ist die Strahlungsenergie das Produkt aus dem Wirkungsquantum h und der Frequenz der Strahlung v.

Während Frequenz und Energie längst bekannte Größen sind, ist hier die epochale Leistung Plancks eindeutig die Einführung des Wirkungsquantums. Da Max Planck jedoch nur ein theoretischer Physiker ist, ist er darauf angewiesen, dass andere Physiker ihn mit Messversuchen unterstützen.

Diese können seine Annahme bestätigen und sogar den geringen Wer des Wirkungsquantums (6,6262 * 10-34 Joule * Sekunde) berechnen.

Auf der Sitzung der Physikalischen Gesellschaft vom 14. Dezember 1900 stellt Plank sein Strahlungsgesetz vor und verweist auf das Wirkungsquantum, das später nach ihm benannt wurde. Dieser 14. Dezember wird auch als Geburtstag der Quantenphysik in den Annalen der Wissenschaft eingehen und läutet ein neues Zeitalter der Physik ein.

Damit kehrt Max Plank schließlich zu seinen wissenschaftlichen Wurzeln zurück, der klassischen Thermodynamik. In den folgenden Jahren widmet er sich verstärkt seinen zahlreichen wissenschaftspolitischen Aufgaben, die er unter anderem in der Physikalischen Gesellschaft wahrnimmt und nicht zuletzt als Sekretär der Preußischen Wissenschaft.

Nach dem 1. Weltkrieg wird Planck für das Wirkungsquantum der Nobelpreis in Physik vergeben. Doch Planck gebührt auch ein völlig anderer Verdienst. Nämlich die Entdeckung des Genies Albert Einstein.

Einstein arbeitet zur jener Zeit am Patentamt in Bern. Seine spezielle Relativitätstheorie hat Planks Aufmerksamkeit erregt und ihn dazu bewogen diese unter den Berliner Physikern zu verbreiten.

Somit war Einstein der erste der Plancks Konstante richtig zu deuten und anzuwenden verstehen wusste.

Doch was hat mit dem Lichtelektrischen-Effekt auf sich?

Wenn Licht auf eine Metallplatte trifft so ist es in der Lage Elektronen aus dieser herauszuschlagen, dabei kann man feststellen, dass dies beispielsweise bei violettem, kurzwelligem Licht mit hoher Frequenz gelingt, während langwelliges, rotes Licht keine Elektronen aus der Metallplatte schlagen kann und zwar unabhängig davon, wie viel rotes Licht auf die Platte trifft.

Mit der Wellentheorie des Lichts konnte man dieses Phänomen nicht mehr erklären und somit nimmt Einstein an, dass das Licht ein Strom von Teilchen, sogenannten Photonen ist. Jedes Photon gibt seine Energie an ein Elektron ab, das bei ausreichender Energie aus der Metallplatte heraustreten kann.

Der amerikanische Physiker Robert Millikan kann diese These experimentell nachweisen.

Albert Einstein wird zum Beginn der 20er Jahre für seine Theorie des Lichtelektrischen-Effekts mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Die Anwendung der Quantentheorie durch Einstein zeigt, dass das Licht sowohl Eigenschaften eines Teilchens, als auch einer Welle aufweist. Damit ist der alte Streit über Natur des Lichts beigelegt und allmählich verschwindet auch die Skepsis gegenüber der Quantentheorie, umso mehr als es gelingt sie bei weiteren Phänomenen anzuwenden.

Der dänische Physiker Niels Bohr nutzt die Vorstellung von der Quantisierbarkeit des Lichts um die Stabilität von Atomen zu erklären.

Abbildung 1


Die Stabilität des Atoms basiert darauf, dass die Anziehungskräfte zwischen den gegensätzlichen Ladungen durch die Fliehkraft der Elektronen ausgeglichen werden. Aufgrund ihrer Bewegungen müssten die Elektronen jedoch permanent Energie abgeben und immer langsamer werden und schließlich in den Kern stürzen.

Da sich Atome jedoch als stabil erweisen, sucht Bohr nach einer schlüssigen Erklärung.

Er nimmt an, dass die Elektronen nicht wahllos um den Kern kreisen, sondern auf genau definierten Bahnen auf denen sie keine Energie verlieren können. Im Atominneren ist das Energieniveau der Bahn geringer als im äußeren Bereich.

Springt ein Elektron auf eine höhere Bahn muss es dazu ein Energiequantum also ein Photon aufnehmen. Springt es zurück gibt es das Energiequantum wieder ab. Ein Verhalten das man Quantensprung bezeichnet. Die jeweils aufgenommene oder abgegebene Energie entspricht auch hier dem Produkt aus Planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz des Photons.


Damit sind die „Geburtswehen“ der Quantentheorie endgültig überstanden.

Max Planck hat mit seinem Wirkungsquantum den Grundstein für eine neue Form der Physik gelegt, die Albert Einstein und nicht zuletzt Niels Bohr untermauerten.

Ihre Forschungsarbeit schuf letztlich die Basis für die Entwicklung der Quantenphysik, die die Abläufe im Mikrokosmos der Atome und auch kleinere Teilchen erklärt.[7]


5.   Welche Auswirkungen hat die Entdeckung der „modernen Physik“ auf unser heutiges Leben?


Der Quantenphysik verdanken wir viele Errungenschaften unseres modernen Alltags, wie den Computer und den Laser mit seinen vielfältigen Anwendungsgebieten. Ohne sie wäre auch die moderne Medizintechnik nicht denkbar, so die Magnetresonanztomographie (MRT).

Die Position Emission Tomographie (PET) ermöglicht es, die Stoffwechselvorgänge sichtbar zu machen und dadurch können Krebszellen lokalisiert werden.

Weitere Anwendungen der Quantenphysik wären:

·        die permanente Verkleinerung von Bauelementen, die unsere Computer zukünftig noch schneller und leistungsfähiger machen.

·        Das Verständnis der Chemie. Der Aufbau des Periodensystems kann durch die Atomphysik begründet werden

·        Kernspintomographie

·        LED

·        CCD Chips (Grundlage aller Digitalkameras)[8]


6.   Quellen-& Bildverzeichnis

6.1. Quellenverzeichnis

·              1. de.wikipedia.org/wiki/Quant, entnommen am 28.12.2010

·              2. entnommen am 28.12.2010

·             3. entnommen am 3.1.2011

·             5. entnommen am 8.1.2011

·             6. entnommen am 8.1.2011

·             7. entnommen am 8.1.2011

·             8. entnommen am 8.1.2011


6.2. Bildverzeichnis

·              Abbildung 1:

entnommen am 8.1.2011

·              Abbildung 2:

entnommen am 8.1.2011




[1] Siehe:

[2] Vgl.:

[3] Vgl.:

[4] Vgl.:

[5] Vgl.:

[6] Vgl: http//

[7]

[8] Vgl:


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