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Physik Fragmente: Die Wunder der Quantenmechanik
 Aufgrund
des positiven Leser-Feedbacks hat sich Robert Hainitz entschlossen, diese
Reihe der „Physik Fragmente“ fortzusetzen. Robert Hainitz ist Österreicher
und unterrichtet Physik am College der Asian University, 25 km südlich von
Pattaya.
Teil 1b: Der Ursprung des „Quantums“
Die Wissenschaftler hatten Theorien über das Strahlungsspektrum
eines solchen Schwarzkörpers aufgestellt. Diese Theorien sagten voraus, bei
welcher Temperatur der Körper wie viel Strahlung einer bestimmten
Wellenlänge abgeben würde. Die Modelle stimmten mit Experimenten im Bereich
langer Wellenlängen gut überein. Für sehr kurze Wellenlängen im
ultravioletten Bereich waren die Vorhersagen aber ziemlich falsch. Eines der
wichtigsten Modelle („Rayleigh-Jeans Gesetz“), welches sehr gut mit
experimentellen Ergebnissen für große Wellenlängen übereinstimmte, sagte zum
Beispiel voraus, dass die Strahlungsmenge im kurzen Wellenlängenbereich
unendlich wird. Als ob dies nicht schon in sich selbst unakzeptabel scheint,
zeigten die Experimente auch noch das genaue Gegenteil: die gemessenen
Strahlungsmengen für kürzer werdende Wellenbereiche wurden zunehmend
geringer und erreichten Null! Dieser ganze Sachzustand wurde zu der Zeit
unter Physikern als „Die ultraviolette Katastrophe“ bezeichnet.
Der wichtigste Punkt dieser Theorien ist, dass ankommende Strahlung die
Atome zum Oszillieren (= vibrieren) bringt und dadurch wiederum deren
Elektronen elektromagnetische Wellen ausstrahlen. Die Atome agieren wie ein
Oszillator, der beliebige Energiemengen aufnimmt und wieder abstrahlt.
Im Jahre 1900 gelang dem Deutschen Max Planck jedoch der Durchbruch. Nach
vielen Wochen intensiver Arbeit gelang es ihm eine Formel zu kreieren, die
mit den experimentellen Messungen extrem gut in allen Wellenbereichen
übereinstimmte.
Planck musste dazu aber die zu diesem Zeitpunkt revolutionäre Annahme
machen, dass die Atome nicht kontinuierlich Energie aufnehmen und wieder
abgeben können, sondern nur in bestimmten diskreten „Energiebündeln“, den so
genannten „Energiequanten“. Er gebrauchte einen Proportionalitätsfaktor h
zwischen Energie und Frequenz, das nunmehr (zumindest in
Wissenschaftlerkreisen) berühmte „Planck’sche Wirkungsquantum“. Das
Verhältnis von Energie zu Frequenz war dabei E = hf.
Am 14. Dezember 1900 veröffentlichte Planck sein Ergebnis auf einer Sitzung
der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Dieser Tag wird als die
„Geburtsstunde der Quantenphysik“ bezeichnet.
Sie werden sich vielleicht wundern, was denn so revolutionär an dem Gedanken
ist, dass Energie in Quanten kommen muss. Nun, dies hat einerseits mit
Intuition zu tun und andererseits auch allen Modellen der Mathematischen
Physik der damaligen Zeit, die „kontinuierlichen“ Raum und Zeit annahmen,
also Raum und Zeit die keine „Löcher“ haben. Ähnlich gibt es ja eigentlich
auch keinen Grund anzunehmen, dass es „Löcher“ geben sollte zwischen den
Energiemengen, die ein Körper haben kann - eine Batterie scheint ja auch
kontinuierlich schwächer zu werden, also „wie Wasser zu verrinnen“ (dies
stimmt für die Batterien übrigens auch nicht ganz).
Planck’s Annahme eines solchen Quantums blieb daher auch unaufgegriffen und
umstritten, bis 5 Jahre später ein junger Physiker dieses Konzept
verwendete, um den so genannten „photoelektrischen Effekt“ zu erklären. Sein
Name war Albert Einstein.
Fortsetzung in der nächsten Ausgabe
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