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Die Quantentheorie sagt einige Messergebnisse voraus, die unvereinbar mit unseren Alltagsvorstellungen sind. Die zugehörigen Experimente konnten z. T. erst in den letzten Jahren durchgeführt werden. Sie bestätigen die absurd erscheinenden Vorhersagen der Quantentheorie eindrucksvoll. Um die Eigentümlichkeiten der Quantenwelt zu verdeutlichen, wird hier dargestellt, wie eine Blume wachsen würde, wenn sie sich entsprechend dem Komplementaritätsprinzip der Quantenphysik entwickeln würde. Wie jede Veranschaulichung hat auch diese ihre Grenzen. Dennoch kann die Analogie erstaunlich weit getrieben werden.

Im Jahre 1900 begründete der deutsche Physiker MAX PLANCK die Quantentheorie. Als Geburtstunde dieser Theorie gilt ein Vortrag, den er auf der Sitzung der Berliner Physikalischen Gesellschaft am 14. Dezember 1900 gehalten hat und der den Titel „Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum“ trug.
Nachfolgend sind Auszüge aus diesem Vortrag sowie aus einem Beitrag angegeben, den er etwa zwei Monate vorher vor dem gleichen Gremium gehalten und in dem er erstmals seine Strahlungsformel vorgestellt hat.

Die Komplementarität, also den Sachverhalt, dass sich die Beobachtung eines Interferenzmusters und eine Information über den Spalt, durch den ein Quantenobjekt hindurchgeht, ausschließen, kann man auch quantitativ beschreiben. Das kann mithilfe der Wahrscheinlichkeit P(x) geschehen. Diese Wahrscheinlichkeit kann man mit dem Zeigermodell ermitteln, wobei das Quadrat des Summenzeigers im Unterschied zur Optik – dort ist das ein Maß für die Intensität – als Maß für die Wahrscheinlichkeit P(x) zu interpretieren ist.

Röntgenstrahlung besteht aus sehr energiereichen elektromagnetischen Wellen, deren Frequenz in etwa zwischen $3\cdot {10}^{16}\text{Hz und 3}\cdot {10}^{\text{21}}\text{Hz }$liegt. Sie entsteht, wenn Elektronen hoher kinetischer Energie schlagartig abgebremst werden oder ihre Bewegungsrichtung ändern. Darüber hinaus entstehen Röntgenlinien, ähnlich wie beim Linienspektrum im sichtbaren Bereich des Lichtes, in den Hüllen der Atome. Entdeckt wurde diese Art von Strahlung 1895 von dem deutschen Physiker WILHELM CONRAD RÖNTGEN. In englischsprachigen Ländern werden sie als X-rays bezeichnet.

* 27.03.1845 in Lennep
† 10.02.1923 in München

Er war ein bedeutender deutscher Physiker, Professor für Physik in Straßburg, Gießen, Würzburg und München. 1895 entdeckte er die nach ihm benannten Röntgenstrahlen und wurde damit in kürzester Zeit weltberühmt.

An der Entwicklung und der Interpretation der Quantenphysik waren viele bedeutende Physiker beteiligt. Entscheidende Schritte wurden in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhundert gegangen. 1927 veröffentlichte NIELS BOHR sein Komplementaritätsprinzip. Im gleichen Jahr formulierte WERNER HEISENBERG die Unbestimmtheitsrelation. Sie besagt, dass der Ort und der Impuls eines Quantenobjektes nicht gleichzeitig genau bestimmt werden können und wird häufig folgender mathematischen Beziehung angegeben:
$\Delta x\cdot \Delta p\ge \frac{h}{4\pi }$

Das ist eine, aber nicht die einzige Möglichkeit, die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation zu formulieren.

Die Quantentheorie erlaubt verschiedene Interpretationen. Die in dem gedruckten Material dargestellte Interpretation ist die sogenannte Standardinterpretation. In dieser ist es z.B. unbestimmt, ob ein Quantenobjekt beim Doppelspalt-Experiment durch den linken oder den rechten Spalt geht. Bei den Interpretationen mit verborgenen Parametern nimmt man an, dass das Quantenobjekt stets durch einen der Spalte geht, dass man nur nicht feststellen kann, durch welchen. Deshalb muss die Tatsache, dass sich beim Interferenzbild nicht die Summe der Einzelspaltmuster ergibt, anders erklärt werden. Dies ist nur über eine sogenannte stark nichtlokale Wirkung möglich.

Bei Interferenzexperimenten ist es unbestimmt, welchen der klassisch denkbaren Wege die Quantenobjekte gehen. So gehen sie beim Doppelspaltexperiment nicht durch genau einen der Spalte, beim Interferometer-Experiment gehen sie nicht auf einem der zwei klassisch denkbaren Wege. Dies ist allerdings nur der Fall, solange man nicht misst, welchen „Weg“ das Quantenobjekt nimmt. Eine solche Messung kann man beim Interferometer mit der Methode der Photonenverdopplung machen.

Die Eigenschaften von Quantenobjekten unterscheiden sich deutlich von denen makroskopischer Objekte. So bewegen sie sich z. B. nicht auf Bahnen. Ein Experiment kann durch eine Messung vollständig verändert werden. Der Test zeigt Ihnen, wie Ihr Grundverständnis für die Quantentheorie ausgeprägt ist.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Eigenschaften von Quantenobjekten".

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WISSENSTEST

Photonen und Elektronen gehören zu den Quantenobjekte. Diese haben Eigenschaften, die sich von denen makroskopischer Objekte unterscheiden. mit dem Test können Sie prüfen, wie Sie grundlegende Zusammenhänge der Quantenphysik beherrschen.

Der Test zur Strahlenoptik bietet die Möglichkeit zu prüfen, inwieweit wichtige Kenntnisse vorhanden sind und auch genutzt werden können.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Photonen und Elektronen als Quantenobjekte".

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WISSENSTEST

* 20.02.1844 Wien
† 05.09.1906 Duino bei Triest (Italien)

Er war ein österreichischer Physiker, der zu den Begründern der klassischen statistischen Physik zählt. Insbesondere beschäftigte er sich mit der Geschwindigkeits- und Energieverteilung von Molekülen sowie mit der statistischen Deutung physikalischer Zusammenhänge, insbesondere des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Darüber hinaus war er einer der Hauptvertreter der Atomistik. Seinen Namen tragen heute z.B. die sogenannte BOLTZMANN-Konstante k, das Strahlungsgesetz von STEFAN und BOLTZMANN oder die MAXWELL-BOLTZMANN-Verteilung bei Gasmolekülen.

Die BOSE-EINSTEIN-Kondensation, benannt nach dem indischen Physiker SATYENDRA NATH BOSE (1894-1974) und dem deutschen Physiker ALBERT EINSTEIN (1879-1955), ist ein quantenstatistisches Phänomen. Kühlt man z.B. Rubidiumatome auf sehr niedrige Temperaturen ab, dann kommt es zu einem rein quantenmechanischen Phasenübergang, bei dem Wechselwirkungen keine Rolle mehr spielen und alle Atome dieselben physikalischen Eigenschaften haben – sie geben gleichsam ihre Identität auf und verhalten sich alle wie ein einziges Superatom. Die Existenz eines solchen Zustandes wurde erstmals 1925 von ALBERT EINSTEIN vorhergesagt. Der experimentelle Nachweis gelang zum ersten Mal 1995.

* 25.01.1627 Lismore (Irland)
† 30.12.1691 London

Er war ein britischer Naturforscher, der sich mit chemischen und physikalischen Problemen beschäftigte. Boyle ist einer der Mitbegründer der wissenschaftlichen Chemie, untersuchte das Verhalten von Gasen und den Luftdruck, befasste sich mit Farbenlehre und Thermometern.

* 01.06.1796 Paris
† 24.08.1832 Paris

Er war ein französischer Ingenieur und Physiker. Nach seinem Studium an der École Polytechnique diente er in der Armee NAPOLEONs als Ingenieuroffizier. Seine theoretischen Untersuchungen zur Wirkungsweise der Dampfmaschine hatten das Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Einführung der Dampfmaschinen in Frankreich zu fördern. Mit seiner berühmten Schrift „Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen“ begründete er die technische Thermodynamik.
Nach ihm ist der thermodynamische Kreisprozess benannt, der aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen besteht und der den höchstmöglichen Wirkungsgrad bei Kreisprozessen hat.

Der Carnotsche Kreisprozess, bestehend aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen, repräsentiert die „Takte“ einer ideal arbeitenden Wärmekraftmaschine. Dabei wird das Arbeitsmittel als ideales Gas betrachtet und die Prozessführung als reversible angenommen.

1. Takt: Durch Aufnahme von Wärme erfolgt eine isotherme Expansion. Es wird die Arbeit verrichtet.
2. Takt: Bei einer adiabatischen Expansion verringert sich die Temperatur. Hierbei wird von dem Gas arbeitet verrichtet, seine innere Energie verringert sich.
3. Takt: Für die isotherme Kompression muss Arbeit zugeführt werden. Die dabei entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
4. Takt: Durch eine adiabatische Kompression wird die Temperatur erhöht und damit der Ausgangszustand wieder erreicht.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die abgegebene mechanische Arbeit gleich der Änderung der Wärme in dem System. Die von den Zustandskurven eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die abgegebene Arbeit.

* 27.11.1701 Uppsala
† 25.04.1744 Uppsala

Er war ein schwedischer Astronom und Physiker, entwickelte eine Temperaturskala, die Celsius-Skala, und führte eine Reihe von astronomischen Untersuchungen durch.

* 02.02.1822 in Köslin
† 24.08.1888 in Bonn

Er war ein deutscher Physiker, der als Professor in Zürich, Würzburg und Bonn tätig war. CLAUSIUS leistete wesentliche Beiträge zur Entwicklung der Thermodynamik. Insbesondere formulierte er als Erster den 2. Hauptsatz der Wärmelehre.

* 17.03.1834 Schorndorf
† 06.03.1900 Bad Cannstatt

Er war ein deutscher Techniker, der wesentliche Beiträge zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren geleistet hat und zeitweise mit NIKOLAUS AUGUST OTTO zusammenarbeitete. Zusammen mit WILHELM MAYBACH entwickelte er den ersten schnell laufenden Verbrennungsmotor, der auch für den Antrieb von Fahrzeugen geeignet war.

* 05.09.1766 in Eaglesfield,
† 27.07.1844 in Manchester

Er war ein britischer Privatlehrer, der sich verschiedenen Forschungsarbeiten in den Bereichen Geografie, Meteorologie, Physik, Astronomie und Botanik widmete. Während seiner Forschungen erkannte er das Gesetz der multiplen Proportionen, erarbeitete eine Atommassentabelle mit sechs Elementen und 13 Verbindungen und beschrieb das Wärmeausdehnungsgesetz bei Gasen. Daneben begründete er eine neue Atomtheorie.

Die Dampfmaschine ist die erste historisch bedeutsame Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie. Erfinder der ersten industriell genutzten Dampfmaschine ist der Engländer THOMAS NEWCOMEN (1663- 1729), Vorarbeiten leistete DENIS PAPIN (1647-1712).
Die Dampfmaschine wurde von dem schottischen Techniker JAMES WATT (1776-1819) so weiterentwickelt, dass sie als Antriebsmaschine in den verschiedensten Bereichen (für Pumpen, Textilmaschinen, Mühlen, Pflüge, Lokomotiven) genutzt werden konnte. Die theoretischen Grundlagen, um die Funktionsweise der Dampfmaschinen zu erklären, wurden erst mehr als 50 Jahre später von dem französischen Ingenieur und Physiker SADI CARNOT ( 1796-1832) geschaffen.
Die Industrialisierung des 19. Jahrhunderts ist eng mit der Einführung und Nutzung von Dampfmaschinen verbunden.

* 18.03.1858 Paris
† 29.09.1913 (Ärmelkanal, Selbstmord)

Er war ein deutscher Ingenieur und erfand im Bestreben, den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu verbessern, den Motor mit Selbstzündung, der heute ihm zu Ehren als Dieselmotor bezeichnet wird.

Die innere Energie gibt an, wie groß die in einem abgeschlossenen System (Körper) gespeicherte Energie ist.
Formelzeichen: U
Einheit: ein Joule (1 J)
Sie ist die Gesamtenergie aller Teilchen (Atome, Moleküle) eines Körpers und setzt sich damit aus der Summe der Bewegungsenergien bei Translation, Rotation und Schwingungen, der potenziellen Energien und der Bindungsenergien zusammen.
Bei Gasen wird die innere Energie im Wesentlichen von den Bewegungsenergien der Teilchen bestimmt.

Gegenstand der kinetischen Gastheorie ist die Betrachtung thermodynamischer Prozesse auf der Grundlage von Teilchengrößen, wie der Teilchenanzahl, ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Geschwindigkeit. Von besonderer Bedeutung ist die Energieverteilung, die eng mit der Geschwindigkeitsverteilung zusammenhängt. Betrachtet man verschiedene Aggregatzustände und bezieht auch Moleküle in die Betrachtungen ein, so ist neben der kinetischen Energie auch die Rotationsenergie und die Schwingungsenergie mit zu beachten.

Der Begriff Entropie wurde 1865 durch den deutschen Physiker RUDOLF CLAUSIUS (1822-1888) in die Physik eingeführt. Sie ist eine Größe, mit deren Hilfe man die Irreversibilität eines Vorganges kennzeichnen kann. Von praktischer Bedeutung ist nicht der absolute Betrag der Entropie S, sondern ihre Änderung, die man folgendermaßen kennzeichnen kann:

$\begin{array}{l}\Delta S=k\cdot \ln W\text{oder}\Delta S=\frac{Q}{T}\\ k\text{BOLTZMANN-Konstante}\\ W\text{Wahrscheinlichkeit des Zustandes eines Systems}\\ Q\text{Wärme}\\ T\text{absolute Temperatur}\end{array}$

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz, formuliert für thermodynamische Prozesse. Die heute bekannte mathematische Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik stammt von RUDOLF CLAUSIUS und wurde von ihm um 1850 so formuliert:

Die einem thermodynamischen System zugeführte Wärme ist gleich der Summe aus der Änderung der inneren Energie des Systems und der von ihm verrichteten mechanischen Arbeit.

$\begin{array}{l}\Delta U=W+Q\\ \Delta U\text{Änderung der inneren Energie}\\ \text{des Systems}\\ W\text{vom System oder am System verrrichtet}\\ \text{mechanische Arbeit (Volumenarbeit)}\\ Q\text{vom System aufgenommene oder}\\ \text{abgegebene Wärme}\\ \end{array}$

Eine andere übliche Formulierung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik lautet:
Es ist unmöglich, eine Perpetuum mobile 1. Art zu konstruieren.