Kategorie: Physiknobelpreise

Die Quantenmechanik wurde ab 1900 bekannt. Sie stellte einige Gesetze der „klassischen Physik“ (vorher) ziemlich auf dem Kopf.

1. Viele Größen sind quantisiert, sie kommen nur in bestimmten Mengen vor. Energie zum Beispiel. Drehimpuls. Vielleicht auch die Zeit.
2. 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.
3. Welle-Teilchen-Dualismus. Licht ist Welle und Teilchen zugleich.
4. Messen verändert das Gemessene.
5. 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/

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

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

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.

Details: https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell

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

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.

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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.

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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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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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