Physik 13.1 – Quantenphysik

Auch hier ist zuerst einmal der Grundkurslehrplan für 13.1 zu finden.

Der große Umbruch von der klassischen zur Quantenphysik ist jetzt etwa 100 Jahre her und er verbindet sich mit Namen wie Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger. Es handelt sich sicher um eine der bisher interessantesten Perioden der Physik. Einige der wesentlichen Experimente und Beobachtungen sind auch zentrale Punkte dieses Halbjahres. Es ist nicht leicht, diese neue Welt aus der gewohnten Perspektive der klassischen Physik zu verstehen und sie mit deren Begriffen zu beschreiben. Versucht man es trotzdem, so erscheint die Quantenwelt in sich widersprüchlich. Ihre Objekte erscheinen einmal als winzig kleine Teilchen an einem bestimmten Ort und manchmal als ausgedehnte Wellen, die die bekannten Interferenzphänomene zeigen. Diese Doppelnatur findet sich in dem etwas schwierigen Begriff Welle-Teilchen-Dualismus wieder: Die Bewohner der Quantenwelt scheinen sich je nach den Versuchsbedingungen einmal so und einmal so zu verhalten. Mit diesem Dilemma beschäftigen sich zahlreiche Physiker, die die Quantenwelt in sich schlüssig interpretieren wollen, z.B. die Vertreter der Dekohärenztheorie.

Die Quantenphysik beginnt mit Max Plancks Untersuchung der Strahlungsgesetze und Einsteins weitergehender Interpretation von Plancks Herleitung im Wunderjahr "1905". Wo Planck noch etwas unwillig mit Quanten (Energieportionen der Größe W = h ⋅ f) gearbeitet hatte, sah Einstein sie als wesentliche Elemente der physikalischen Welt an. Einsteins Deutung des Photoeffekts stützte diese Sicht der Welt. Die Integration von Plancks Energiequanten, speziell des Planckschen Wirkungsquantums h in die klassische Mechanik ermöglichte Bohr die Konstruktion des ersten quantenmechanischen Atommodelles, das in der Lage war, die Spektrallinien von Wasserstoff zu berechnen. Sie entsprechen dem Übergang eines Atoms zwischen seinen verschiedenen Energiestufen. Einen weiteren überzeugenden Beleg für die Existenz von Energiestufen in den Atomen lieferten 1913 Franck und Hertz mit der Anregung von Quecksilberdampf durch Elektronenstoß.

Noch mehr "Körperlichkeit" und damit Realität gewannen die Quanten durch die Entdeckung des Comptoneffektes. Rein formal kann man einem Energiequant mit der Energie W = h ⋅ f auch einen Impuls p = h / λ zuordnen. Die Maßeinheiten stimmen wenigstens. Richtige Physik wir das aber erst dann, wenn Quanten mit "ordentlichen" Objekten, wie z.B. Elektronen zusammenstoßen können und dabei die üblichen (relativistischen) Regeln für Energie und Impuls gelten. Dies konnte Compton 1923 tatsächlich nachweisen. Schade nur, dass die "ordentlichen" Elektronen sich manchmal auch nicht mehr ordentlich verhalten, wie nur wenig später erkannt wurde.

Wenn sich die bislang fein verteilte, z.B. als Lichtwelle auftretende Energie als eher körnig erwiesen hatte, dann könnte sich doch umgekehrt die Körnigkeit der Materie auflösen und zu Welleneigenschaften führen. Diese symmetrische Sicht auf die Natur von de Broglie führte in den 20er und 30er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts Heisenberg und Schrödinger zu ganz neuen Modellbildungen, deren mathematischer Formalismus leider nur schwer zu durchschauen ist. Insbesondere stellte sich auch den Physikern selbst die grundsätzliche Frage, ob es überhaupt noch einen verstehbaren Zusammenhang zwischen den Begriffen des Formalismus und der Wirklichkeit gab. Bohr und Einstein führten darüber lange Diskussionen und hatten sehr verschiedene Vorstellungen. Ein wichtiger experimenteller Befund sind in diesem Zusammenhang die Interferenzexperimente mit Teilchen von Davisson und Germer, Düker und Möllenstedt oder Zeilinger zu nennen.

Der große Erfolg der Quantentheorie des Atoms machte sie zum Prototypen für weitere Modellbildungen. Heute scheint sie die ganze physikalische Welt beschreiben zu können – mit Ausnahme der Schwerkraft.