Von einem großen Stück Brot können sie wahrscheinlich jede beliebige kleinere Menge abschneiden. Bei Salz ist das schwieriger: die Salzkristalle sind Körner, die eine kleinste Einheit bilden, einen halben Kristall werden Sie nicht wirklich gut abtrennen können. Ähnlich ist das in der Physik mit einigen physikalischen Größen. Temperatur – da gibt es jeden Zwischenwert. Aber bei der elektrischen Ladung sieht das anders aus: es gibt die kleinste Ladung – die sitzt in ihrer negativen Form auf einem Elektron. Oder in ihrer positiven Form auf einem Proton. Man sagt: die elektrische Ladung ist quantisiert. Bei der Energie ist das auch so – auch sie ist quantisiert. Und vermutlich auch die Zeit. Auch wenn sie uns als sehr gleichmäßig verlaufend erscheint, könnte sie durchaus ruckartig verlaufen, das aber so schnell, dass wir es nicht mitbekommen. Max Planck hat mit der „Theorie der Quantisierung“ 1900 den Grundstein zur Quantenphysik gelegt.
Kategorie: Basics
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Michelson-Interferometer (Michelson)
Wenn jemand eine bestimmte Strecke vor und zurückläuft, sollte er genau so lange brauchen, wie jemand, der eine gleich lange Strecke senkrecht dazu auf und ab. Wenn das nicht so ist, muss einer der Läufer etwas auf seinem Weg erlebt haben. Das ist die Grundidee des Michelson-Interferometers. Nur sind es dabei nicht Läufer, die unterwegs sind, sondern das Licht. Man könnte mit einem Michelson-Interferometer zeigen, dass die Erde bei ihrem Flug um die Sonne durch den Äther unterwegs ist, der das Universum ausfüllen würde, und der Stoff wäre, der Licht und andere elektromagnetische Wellen trägt. Es gibt ihn nicht, die beiden Lichtstrahlen kommen gleichzeitig an, egal ob sie dem Äther entgegen und zurück oder senkrecht dazu auf- und ablaufen. Man sagt, dieses Experiment wäre eine der Ausgangspunkte der Relativitätstheorie gewesen, obwohl Einstein möglicherweise gar nichts davon gewusst hat, als er damit begann.
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Strahlungsphänomen (Ehepaar Curie)
Es ist einigermaßen gruselig, wenn auf einem Fotopapier etwas erscheint, obwohl es eigentlich lichtdicht eingepackt ist, und nichts drauf sein sollte, wenn man es entwickelt. Genau das ist dem Ehepaar Curie passiert, das in ihrem Labor einen Stein (Pechblende) auf so ein eingepacktes Fotopapier gelegt hat. Die Erklärung: in Pechblende befinden sich die radioaktiven Element Uran, Radium und Polonium, die radioaktive Strahlung abgeben. Entdeckt wurde diese Strahlung von Henri Bequerel, der 1903 die zweite Hälfte des Nobelpreises dafür erhielt – gemeinsam mit dem Ehepaar Curie. Radioaktive Strahlung: Man sieht sie nicht, hört sie nicht, schmeckt sie nicht – aber es ist doch eine energiereiche Strahlung. Fotopapier kann es enthüllen. Ein Geigerzähler auch.
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Röntgenstrahlen (Röntgen)
Lichtwellen und Radiowellen sind beides elektromagnetische Wellen – unterschiedlicher Frequenz. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie steckt in einer Welle. Röntgenstrahlung ist nun eine elektromagnetische Welle mit noch höherer Frequenz. Die Frage ist nun, wie sie erzeugt werden kann. Licht durch Hitze (oder Halbleiter bei LED), Radiowellen in Antennen, und für Röntgenstrahlung braucht man Elektronen, die man auf Metall ballert. Wilhelm Konrad Röntgen hat diese „Bremsstrahlung“ 1895 entdeckt, X-Strahlung genannt – auf Englisch heißt Röntgenstrahlung heut noch X-Rays – und 1901 hat er dafür den Nobelpreis erhalten. Röntgenstrahlen durchdringen übrigens Gegenstände, wird teilweise von ihnen aufgenommen (absorbiert) und so entstehen die Röntgenbilder, die Auskunft aus dem Inneren des Körpers geben.
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LHC (Suche nach dem Higgs-Boson)
Ein Elementarteilchenbschleuniger bringt kleine Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten, bevor sie aufeinander stoßen. Es entstehen neue Teilchen und Hinweise auf Kräfte.
LHC ist eine Abkürzung natürlich, und zwar für „Large Hadron Collider“. Large – groß. Riesig sogar. Collider: es geht um Kollisionen, und Hadron, das ist eine Art von Elementarteilchen, Protonen sind gemeint. Die werden im LHC aufeinander geschossen, so, dass sie kollidieren. Zusammenstoßen. Dabei entstehen Trümmer, neue Teilchen, und an der Häufigkeit dieser Ereignisse kann man auf Kräfte und Zutaten der Materie schließen. Die ganze Anlage heißt LHC, sie befindet sich im CERN, im Zentrum für Elementarteilchenforschung in der Schweiz. Es wird im LHC nach einem ganz bestimmten Teilchen gesucht, dem sogenannten Higgs-Boson. Wenn es existiert, kann man gut erklären, wie alle anderen Teilchen dieses Universums zu ihrer Masse kommen. Und wie es aussieht, hat man dieses Higgs-Boson tatsächlich gefunden.
Link: Zum Weiterlesen über LHC und die Suche nach dem Higgs-Boson empfiehlt sich dieser Artikel von Leo Ludick (PDF)
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Cobe-Satellit (Hintergrundstrahlung)
Strahlung aus dem Weltraum erzählt uns etwas, was im Weltraum passiert. Es gibt Sterne. Sie leuchten. Die Lichtstrahlen erzählen uns über den Stern. Es gibt Teilchenstrahlen – zum Beispiele Elektronen und Protonen von der Sonne – sie erzählt uns, was auf der Sonne gerade passiert.
Und es gibt die kosmische Hintergrundstrahlung. Ein ganz bestimmtes Rauschen. Es erzählt uns vom Anfang des Universums. vom Urknall.
Der Cobe-Satellit kann diese Strahlung feststellen. Er wurde genau dafür gebaut. Cobe bedeutet: „Cosmic Background Explorer“.
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Fraunhofer Linien
Wer zur Sonne schaut, sieht helles Licht. Es sieht „weiß“ aus, und wenn dieses Licht zerlegt wird, sehen wir alle Regenbogenfarben. Licht kann in einem Wassertropfen zerlegt werden, oder in einem Glasprisma. Isaac Newton hat das gemacht.
Wer sich die Regenbogenfarben genau ansieht, sieht eine ganze Bandbreite verschiedener Farben, die ineinander übergeben. Von Blau bis Rot, dazwischen Gelb und Grün. Wer ganz genau hinsieht, bemerkt, dass in verschiedenen Bereichen schwarze Linien sind. Da fehlt eine ganz bestimmte Farbe. Wer hat sie entfernt? Sie müsste ja da gewesen sein?
Es sind ganz bestimmte Atome, deren Elektronen in der Hülle ganz bestimmte Energien verschlucken können, wenn sie diese bekommen. Licht ist nun Energie, und eine bestimmte Farbe von Licht ist eine ganz bestimmte Energie. Somit kann man feststellen, wenn eine ganz bestimmte Farbe fehlt, dann wird ein ganz bestimmtes Atom dafür verantwortlich sein.
Wasserstoff zum Beispiel. Und davon gibt es auf der Sonne ja mehr als genug.
Link: Fraunhoferlinien auf Phyx und https://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie
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Einstein (Erklärung des Photoeffekts)
Albert Einstein hat für die Erklärung dieses Experiments den Nobelpreis erhalten. Den gibt es nämlich nur für konkrete Sachen, Experimente, nicht für Theorien. Einstein erklärte die Ergebnisse eines Experimentes so: „Licht besteht aus Teilchen“.
Konkret wird beim Experiment mit dem Photoeffekt eine Zinkplatte elektrisch aufgeladen, indem Elektronen darauf gepackt werden. Sie wird sich über den Tag hinweg langsam wieder entladen, weil Elektronen durch die Luft entkommen können. Aber man kann diesen Effekt beschleunigen, indem man Licht darauf strahlt. Interessanterweise nicht rotes Licht, sondern bei blauem Licht. Man weiß, dass blaues Licht höherfrequent ist, dass es mehr Energie hat. Die bisherige Theorie – Licht ist eine Welle – würde vorhersagen lassen, dass man rotes Licht einfach nur länger hinstrahlen müsste, bis die Energie zusammenkommt, die Elektronen brauchen, um zu entkommen, aber genau das passierte nicht.
Ein Vergleich zeigt, was passiert: Sie stehen unter einem Regenschirm und es hagelt. Kleine Hagelkörner (rotes Licht, rote Lichtteilchen) haben zu wenig Energie, um Löcher in den Schirm zu stoßen, da kann es noch so lange hageln, summiert sich das nicht auf. Aber bei einer bestimmten Hagelkerngröße (blaues Licht, energiereiche Lichtteilchen) reißen Löcher. Hagelt es mehr, gibt es mehrLöcher. Intensiveres blaues Licht lässt die Platte schneller entladen.
Mit dem Photoelektrischen Effekt und seiner Erklärung – Licht besteht aus einem Strom von Photonen unterschiedlicher Energiemengen, je nach Farbe/Frequenz – und dem Doppelspaltexperiment – Licht ist eine Welle, die durch zwei Löcher gleichzeitig gehen kann – spannt sich ein Widerspruch auf, der nicht auflösbar ist. Deshalb sagt man: Licht ist beides. Wir sprechen vom Welle-Teilchen-Dualismus. Manche Experimente zeigen die eine Seite des Lichts, andere Experimente zeigen die andere Seite.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt
Hinweis: Die Farben dünner Schichten sind durch das Wellenmodell von Licht erklärbar. Sie entstehen durch das Phänomen Interferenz.
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Young (Doppelspaltversuch)
Das Doppelspaltexperiment gehört zur Quantenphysik. Es sind diese erstaunlich anderen Gesetze in der Welt der kleinsten Teilchen, die in diesem Teilgebiet der Physik faszinieren. Üblicherweise kann man ja nicht durch zwei Türen gleichzeitig gehen. Das gilt in unserer Welt, in unserer großen Welt. In der Quantenwelt ist genau das möglich. Photonen, Elektronen und andere Teilchen gehen gleichzeitig durch zwei Spalten, wenn man nicht hinsieht. Wenn man sie beobachtet, entscheiden sie sich für eine Spalte. Das klingt rätselhaft – so rätselhaft, dass Erwin Schrödinger die Geschichte mit der Schrödinger-Katze erfand, die ebenso zwei Sachen gleichzeitig macht: sie ist lebendig und tot zu gleich. „Du spinnst“, sagten die Leute. Aber Schrödinger machte ja mit dieser Katze kein wirkliches Experiment sondern nur ein Gedankenexerperiment. Quantenteilchen würden sich so benehmen.
Young zeigte schon 1802 die Wellennatur von Licht, indem er es auf einen Doppelspalt (zwei Löcher/Schlitze) scheinen ließ. Dahinter gab es ein Interferenzmuster. Licht erreichte Stellen, an die es auf direktem Weg nicht hinkommen würde. Einstein würde 1905 dann etwas anderes mit dem Photoelektrischen Effekt zeigen: dass Licht aus Teilchen – den Photonen – besteht. Was ist Licht nun: Welle oder Teilchen? DAs ist ein Widerspruch, der sich nicht auflösen ließ, und so sagt man: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich. Der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. nicht nur bei Licht, sondern auch bei Materieteilchen ist das der Fall. Elektronen sind nicht nur Teilchen sondern auch Wellen – das zeigt sich bei Elektronenmikroskopen, die nicht mit Lichtwellen sondern mit Elektronenwellen funktionieren.
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Hafele & Keating (Zeitdilatation)
Einstein formuliert in seiner Relativitätstheorie einen interessanten Gedanken. Wer schnell unterwegs ist, wird eine andere Zeit messen, als jemand, der im Vergleich dazu in Ruhe ist. Diese Effekte treten spürbar ab der halben Lichtgeschwindigkeit auf, man muss also schon wirklich sehr schnell sein, um den zeitverlängerten Effekt schneller Reisen zu bemerken. Aber eigentlich müsste man das auch bei niedrigen Geschwindigkeiten messen können, wären die Messgeräte nur genau genug. Bewegte Uhren gehen langsamer. Kann man das auch in unserer Welt zeigen?
Atomuhren sind sehr genaue Uhren: sie können Zeitunterschiede von 30 ns (Nanosekunden) leicht messen. In dieser Größenordnung war der vorhergesagte Unterschiede in den Zeiten, wenn man eine Atomuhr in ein Flugzeug packt, und eine andere am Boden lässt. Der Effekt wurde von Hafele und Keating 1971 gemessen. Somit konnten sie zeigen, dass ein wesentlicher Teil der Relativitätstheorie vorhersagbar und messbar ist – die Veränderung der Zeit bei Bewegung. Diesen Effekt gibt es auch in unterschiedlichen Höhen. Auch das konnte gemessen werden.