|
Die Quantentheorie - Referat
Was ist die Quantentheorie?
Die Quantentheorie oder auch „Quantenphysik“ genannt, ist eine physikalische Theorie, welche das Verhalten der Materie im atomaren und subatomaren Bereich beschreibt. Sie ist eine Hauptsäule der modernen Physik und bildet die Grundlagen für Teilgebiete der Physik, wie die Atomphysik, die Festkörperphysik und die Kern- und Elementarteilchenphysik. Die Quantentheorie ist somit ein Oberbegriff aller physikalischer Theorien, die sich mit der Quantelung bzw. Quantisierung beschäftigen. Die Quantelung berücksichtigt die Tatsache, dass verschiedene physikalische Größen das Vielfache ihres kleinsten Betrages, dem Quant, sind.
Unter Materie versteht man in der klassischen Physik alles, was Raum einnimmt und eine Masse besitzt.
Atomar bezeichnet eine Größenordnung im Bereich weniger Nanometer. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Teilchen im Nanometerbereich sind so klein, dass man sie weder mit dem bloßen Auge noch unter einem Lichtmikroskop sehen kann.
Teilchen im subatomaren Bereich sind die Teilchen, welche kleiner als ein Atom sind.
Mit Hilfe der Quantentheorie werden unter anderem nachfolgende Themen untersucht:
• „Wie reagieren subatomare Teilchen auf äußere Kräfte?
• Welche Energien werden dabei frei und in welcher Form?
• Wie sieht die Struktur der Atomhülle aus?
• Welche Gesetze gelten für die mikroskopische Welt?“
Das Konzept der Quantentheorie wurde von Physikern wie Erwin Schrödinger, Max Born, Niels Bohr, Wolfgang Pauli und weiteren Physikern, im Zeitraum von 1926 bis 1935, erarbeitet.
Beim Arbeiten mit Quantenobjekten, wie zum Beispiel Elektronen, stößt man auf verblüffende Erscheinungen. Diese widersprechen unserem „normalen“ Denken sehr stark. Physiker wie Niels Bohr und Daniel Greenberger, beides Physiker die sich intensiv mit der Quantenphysik beschäftigten, haben über diese gesagt:
• „Wer von der Quantentheorie nicht schockiert ist, der hat sie nicht verstanden.“
(Niels Bohr)
• „Einstein sagte, die Welt kann nicht so verrückt sein. Heute wissen wir, die Welt ist so verrückt.“
(Daniel Greenberger)
Die Quantenphysik entspricht nicht der klassischen Physik. In der klassischen Physik ist etwas da, es kann sich bewegen und man kann jede Bewegung nachvollziehen. Aber in der quantenmechanischen Welt, darf dies ebenso nicht sein. Eine konkrete Information, wie eine exakte Ortsangabe, hätte in der Quantenwelt katastrophale Folgen!
Wie kam es zur Entdeckung der Quantentheorie?
Als der Entdecker der Quantenphysik, gilt der deutsche Physiker Max Planck.
Max Planck forschte im Rahmen der theoretischen Physik, damals ein schlecht bezahltes Geschäft. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begann Planck sich wissenschaftlich mit dem Thema Licht zu befassen. Bei seinen Experimenten entdeckte er, dass das Licht Quantensprünge macht und sich nicht durchgehend und wellenförmig ausbreitete. Mit Skepsis wurde auf diese These in der Welt der Wissenschaft reagiert und auch Planck empfand die Quantenhypothese als „eine ungeheure und für das Vorstellungsvermögen fast unerträgliche Zumutung“.
Nachdem er 1900 seine Strahlungsformel öffentlich präsentierte, führte dies zu einem neuen Themenschwerpunkt in der Physik, der sogenannten Quantenphysik. Nach weiteren Forschungen von Albert Einstein und Niels Bohr gewann die Quantentheorie an Bedeutung. Dem Erfinder Max Planck wurde 1918 der Nobelpreis verliehen.
Schrödingers Katze
Die wohl bekanntesten Physiker, die an und mit der Quantentheorie forschten, waren Niels Bohr (Bohr-Sommerfeldsches Atommodell, Bohrsche Postulate) und Erwin Schrödinger (Wellenmechanik, Schrödinger-Gleichung als fundamentale Bewegungsgleichung der Quantenmechanik).
Erwin Schrödinger hatte das bekannte, nachstehend beschriebene, Experiment „Schrödingers Katze“ durchgeführt.
Das Quantenexperiment
In einer geschlossenen Box befindet sich ein radioaktives Atom, ein Detektor, ein Hammer, ein Glas mit Gift und eine Katze. Radioaktive Atome können zerfallen und der Detektor wurde so programmiert, dass er, sobald er den Zerfall des Atoms wahrnimmt, den Hammer auf das Glas mit dem Gift fallen lässt. Sobald es austritt wird die Katze getötet.
Nun gibt es zwei Möglichkeiten wie dieses Experiment ausgehen kann:
1. Das Atom zerfällt und die Katze wird getötet
2. Das Atom zerfällt nicht und die Katze bleibt eben am Leben
Das Atom ist aber nun ein Quantenobjekt und Quantenobjekte nehmen, solange wir sie nicht beobachten, keinen festen Zustand an. Das Atom befindet sich nun in der „Superposition“! Das bedeutet, solange wir die Box nicht beobachten, ist das Atom verfallen und wiederrum nicht zerfallen. Erst wenn wir in die Box schauen, zwingen wir das Universum sozusagen, sich für eine Möglichkeit zu entscheiden. Ab diesem Zeitpunkt ist die Katze tot oder lebendig.
Dieses Experiment zeigt uns, dass quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten nicht auf Alltagssysteme übertragen werden dürfen. In den winzigen Bereichen verhält sich das aber anders! Quantenobjekte wie Elektronen oder Photonen (Lichtquanten oder Lichtteilchen), können gleichzeitig mehrere Zustände annehmen. Wie bei dem Doppelspaltenexperiment, wo ein Photon sowohl den einen als auch den anderen Spalt durchdringt. Wenn man jetzt aber genau beobachten möchte, wie das Photon beide Spalten durchläuft, so wird durch die Messung der Weg des Photons festgelegt und das Experiment verläuft im Ergebnis nun anders.
Anwendungen
Die Quantenphysik wird in der heutigen Zeit vor allem in der modernen Technologie angewandt. Zum Beispiel bei Lasern, Handys, Satelliten, Fernsehern, Radios, in der Nukleartechnik, bei Elektronenmikroskopen oder Atomuhren. Auch bei der Entwicklung von Kernwaffen spielt die Quantenmechanik eine große Rolle.
Wir treffen mittlerweile in vielen Bereichen auf die Quantenphysik, ohne dies im Grunde wahrzunehmen. Täglich vertrauen wir auf ihre Gesetze, ob beim Autofahren (Bordelektronik) oder beim Musik hören (CDs werden durch Laser ausgelesen).
Kommentare zum Referat Die Quantentheorie:
|
