Die Quantenelektrodynamik beschäftigt sich mit den Phänomen von Elektronen, Positronen und Photonen. Und sie beschäftigt sich mit der elektromagnetischen Kraft. Sie ist eingebettet in den Versuch, Teilchen und Kräfte des Universums zu „ordnen“, sprich: zu verstehen. Der US Physiker Werner Feynman hat wesentlich am Konzept der Quantenelektroynamik gearbeitet.
Kategorie: Basics
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Pauliprinzip (Pauli)
Können Teilchen am selben Platz sein? Normalerweise nicht. Außer bei Elementarteilchen. Zum Beispiel bei Elektronen im Atom. Man kann sich vorstellen, dass sie in Orbitalen (Aufenthaltsräumen) organisiert sind. Interessanterweise dürfen zwei Elektronen im selben Orbital sein, wenn sie sich in einer Quantenzahl – dem Spin – unterscheiden. Der hat zwei Möglichkeiten: Spin up, Spin down – und diese zwei Elektronen sind dann „am selben Platz“.
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Entdeckung des Positrons (Anderson)
Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron. Wenn es auf ein Elektron trifft, findet die sogenannte „Paarvernichtung“ statt – die beiden löschen sich aus – sie wandeln sich in Energie um. Umgekehrt kann aus Energie ein Positron-Elektron Pärchen entstehen. Positronen sind bei radioaktiven Zerfällen zu finden – das wird auch in der Medizin bei bildgebenden Verfahren ausgenutzt. Positronen entstehen auch bei Stoßprozessen (Wechselwirkung), zum Beispiel dort, wo kosmische Strahlung auf die Atomsphäre der Erde trifft. Der US-Physiker Carl David Anderson hat das Positron erstmals in einer Nebelkammer nachgewiesen, es wurde zuvor von Dirac „postuliert“, das heißt, vorhergesagt.
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Weiterentwicklung der Quantenphysik (Schrödinger)
Vielleicht erzählt man hier die Geschichte von „Schrödingers Katze“. Ein Gedankenexperiment. Kein Tier kommt zu Schaden.
Eine Katze wird in eine Kiste gesetzt, nach einer Stunde – so weiß man – ist sie mit der Wahrscheinlichkeit 50:50 tot. Wir würden sagen. Sobald wir den Deckel öffnen, sehen wir, ob sie irgendwann gestorben ist. Wir sehen sie lebendig oder tot.
Schrödinger sagt: Bis zum Moment des Öffnens ist die Katze in einem überlagerten Zustand. Im Moment des Öffnens wird der Zustand festgelegt. Sie ist entweder lebendig oder tot.
Das ist die Kurzfassung. Schrödinger erklärte mit diesem Gedankenexperiment das Doppelspaltexperiment. Licht geht durch zwei Löcher gleichzeitig, solange man nicht hinschaut. Man sieht das an einem Interfernzmuster auf der anderen Seite. (Licht ist eine Welle – das muss man daraus schließen). Wenn man aber hinschaut, geht das Licht durch das eine oder durch das andere Loch (das sieht man wieder auf der anderen Seite. (Licht besteht aus Teilchen, das muss man daraus schließen).
Was nun? Eine große Erkenntnis in der Physik: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich.
Die Quantenphysik ist eigentlich eine formal sehr anspruchsvolle Beschreibung der Welt. Diese Geschichten mit Katzen und Löchern sind Versuche, das Ganze in der Beschreibung, und in Experimenten zu zeigen bzw. verständlich zu machen. Die „Schrödingergleichung“ ist so eine mathematische Beschreibung in der Quantenphysik. Sie ist mathematisch anspruchsvoll. Man wird sie aus Entfernung nicht leicht verstehen, man kann sie sich aber erklären lassen bzw. lernen, was sie beutet.
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Quantenmechanik (Heisenberg)
Die Quantenmechanik wurde ab 1900 bekannt. Sie stellte einige Gesetze der „klassischen Physik“ (vorher) ziemlich auf dem Kopf.
- Viele Größen sind quantisiert, sie kommen nur in bestimmten Mengen vor. Energie zum Beispiel. Drehimpuls. Vielleicht auch die Zeit.
- Heisenberg’sche Unschärferelation: Bestimmte Größenpaare kann man nicht Gleichzeit genau bestimmen. Ort und Impuls eines Teilchens, zum Beispiel. Oder Zeit und Energie. Das hat ziemliche Konsequenzen, wenn man das an Beispielen sieht. Man kann zum Beispiel keine Bahnhkurven mehr von Elektronen um den Atomkern zeichnen. Denn das würde bedeutetn, wir wissen, wo die Elektronen sind und in welche Richtung sie sich als nächstes bewegen. Geht nicht. Orbitale müssen nund gezeichnen werden, „Aufenthaltsräume“ um die Atomkerne, wie Wolken, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, dass sich Elektronen darin befinden.
Ein Witz: Der Quantenphysiker Werner Heisenberg fährt mit stark überhöhter Geschwindigkeit auf der Autobahn. Er wird angehalten. Der Polist frag ihn: „Wissen Sie, wie schnell Sie fahren“. „Nein“, antwortete der Quantenphysiker, „aber dafür weiß ich genau, wo ich bin. - Welle-Teilchen-Dualismus. Licht ist Welle und Teilchen zugleich.
- Messen verändert das Gemessene.
- Verschränkung von Teilchen – Beamen erscheint möglich.
Details gibt’s jede Menge, aber auch schon mit dem Wissen um diese 5 Punkte ist die Quantenphysik großartig, spannend und immer noch neu und ganz anders als das, was wir im Alltag erleben.
Schau dir doch diese Details auch an: https://www.phyx.at/worum-geht-es-in-der-quantenphysik/
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De-Broglie-Welle (De-Broglie)
Irgendwann war man sich einig, dass Lichtwellen aus Teilchen bestehen. (Welle-Teilchen-Dualismus). Wenn nun so etwas „wellenartiges“ wie Licht aus Teilchen besteht („Materie“), kann es nicht auch umgekehrt sein, dass man Materie als Welle sehen kann? Kann man. Das Ganze wird „Materiewelle“ genannt und wurde von De Broglie erforscht bzw. erklärt.
Man kann so zum Beispiel Elektronenmikroskopie betreiben. Die Elektronen benehmen sich auch wie Wellen – allerdings mit einer geringeren Wellenlänge als Licht (je mehr Materie/Energie, desto kürzer die Wellenlänge). Damit wird die Auflösung eines Mikroskops besser bzw. genauer.
Schau hier weiter nach: https://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle
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Millikan-Versuch (Millikan)
Bei diesem Versuch möchte man herausfinden, wie viel elektrische Ladung auf einem Elektron „sitzt“. Sie wird Elementarladung genannt, weil es die kleinste Menge elektrischer Ladung ist, die in freier Wildbahn vorkommt.
Die Idee ist, die elektrische Kraft und die Gravitationskraft (Schwerkraft) gegeneinander antreten zu lassen. Die Gravitationskraft zieht ein kleines Öltröpfchen nach unten. Wenn man auf das Öltröpfchen Elektronen draufsetzt, kann es nach oben gezogen werden, wenn oben eine positiv geladene Metallplatte ist. Man kann die Stärke der Ladung der Metallplatte genau bestimmten (die Spannung). Und wenn das Tröpfchen schwebt, weiß man, die beiden Kräfte halten sich die Waage.
Man weiß also, wie viele Ladungen sich auf dem Tröpfchen befinden. Und da das Ganze in Stufen mehr wird, kann man die Größe einer Stufe bestimmten – das ist die Elementarladung von einem Elektron.
Schau hier weiter: https://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch
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Struktur von Atomen (Bohr)
Wie ist das Atom aufgebaut? Es sind die kleinsten Teilchen der Materie. Unteilbar wären sie, meinte Demokrit. Später hat man entdeckt, dass sie aus Elektronen (elektrisch negativ geladen) und Protonen (elektrisch positiv geladen) und Neutronen (elektrisch neutral) bestehen. Die Frage war nun, wie. Wie in einem Kuchen, alles bunt vermischt? Nein. Im Kern, so hat man herausgefunden, sind die Protonen und die Neutronen. Rundherum die Elektronen, in der Hülle.
Jetzt gab es aber ein Problem. Man weiß, dass Elektronen auf einer Kreisbahn beschleunigt sind. Beschleunigung bedeutet: sie ändern ihre Geschwindigkeit. Nicht der Größe nach, aber der Richtung. Immerhin. Und jede beschleunigte Ladung strahlt nun Energie in Form einer elektromagnetischen Welle ab. Das Elektron müsste also Energie verlieren, und in den Kern stürzen.
Das ist aber nicht so. Niels Bohr sagte: „Auf bestimmten, erlaubten Bahnen kreisen die Elektronen stabil um das Atom“.
Das Eltkron kann die Bahnen auch wechseln, dazu braucht es eine bestimmte Menge an Energie, oder es gibt sie ab. Das wird „Quantensprung“ genannt, weil die Größe der Energie exakt festgelegt ist.
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Photoeffekt (Einstein)
Dieses Experiment zeigt, dass Licht aus Quanten besteht. Sie werden Photonen genannt. Es ist ein Experiment, das die Teilchennatur des Lichtes offenbart. Da es nun aber auch viele Experimente gibt, die die Wellennatur des Lichtes zeigen, ist insgesamt festzuhalten: „Licht ist Welle und Teilchen zugleich“ (Welle_Teilchen-Dualismus.
Die Idee beim Photoelektrischen Effekt ist, dass sich eine geladene Zinkplatte entlädt, wenn man sie mit Licht beleuchtet. Es ist eine Metallplatte, die mit Elektronen negativ aufgeladen wurde. Wenn man sie mit Licht bestrahlt, kann sie sich entladen, weil Licht die Energie herbei transportiert, die die Elektronen brauchen, um die Metallplatte zu verlassen. Doch Achtung: nicht jedes Licht ist dazu geeignet, und das ist das Besondere an diesem Experiment.
Mit rotem Licht passiert gar nichts. Gut, man weiß, dass rotes Licht wenig Energie hat. Wenn Licht eine Welle wäre, dann müsste man nur länger hinleuchten, die Energie kommt dann irgendwann summenmäßig zusammen, die benötigt wird, dass ein Elektron sich aus der Platte befreit. Aber: es ist nicht passiert. Man kann mit rotem Licht auch lange hinleuchten, bringt es nicht die Energie, die das Elektron benötigt, um die Platte zu verlassen. Man kann auch mehr rotes Licht hinleuchten – nach der Wellentheorie müsste auch dann die Entladung funktionieren, weil in Summe genug Energie herbeikommt. Ist aber nicht so. Auch intensiveres rotes Licht führt zu keiner schnelleren Entladung
Aber: mit blauem Licht passiert etwas. Man weiß, dass blaues Licht energiereich ist. Das ist also leicht zu erklären. Intensiveres blaues Licht führt zu einer schnelleren Entladung.
In Summe ist es rätselhaft. Mit der Wellennatur kann man nicht erklären, warum die Entladung nicht mit rotem Licht funktioniert.
Aber: Jetzt kommt ein Vergleich. Angenommen Licht ist so wie ein Hagelkorn. Rotes Licht – ein kleines Hagelkorn. Wenig Energie. Blaues Licht – ein großes Hagelkorn. Viel Energie. Es hagelt auf einen Regenschirm. Man kann noch so lange mit kleinen Hagelkörner hinhageln, wird es kein Loch reißen. Auch stärker nützt nichts, jedes einzelne Hagelkorn richtet keinen Schaden an. Aber mit einem großen Hagelkorn, da gibt es ein Loch.
Und so kann man die ganze Sache mit dem Licht sehen. Licht ist keine Welle, sondern ein Teilchen, so wie ein Hagelkorn. Rotes Licht ist ein kleines Teilchen (Photon), es hat wenig Energie. Blaues Licht ist ein großes Teilchen (Photon), es hat viel Energie.
Licht besteht aus Teilchen. Das ist das Ergebnis dieses „Photoelektrischen Effektes“.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt
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Kosmische Höhenstrahlung (Hess)
Strahlung die aus dem Weltraum kommt: Elektronen, Protonen, Ionen. Normalerweise werden diese Teilchen von unserer Atmosphäre abgefangen. Sie stoßen in den hohen Luftschichten mit den Atomen der Atmosphäre zusammen – was in den Gegenden der Pole für das Polarlicht sorgen kann. Wenn aber diese Teilchen abgefangen werden, kommt nichts oder nur wenig auf der Erde an, und man kann sie am Boden nicht feststellen, dass es sie gibt. Genau dafür hat aber Victor Hess 1912 vorhergesagt. Es müsste sie geben. Und sie wurde durch Ballonfahrten gefunden.