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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

Die Photonenoptik behandelt die Lehre des Lichts unter Berücksichtigung der Annahme, dass dieses aus Teilchen, den sogenannten Photonen, besteht. Sie erklärt alle uns bekannten Phänomene der Strahlen- und der Wellenoptik, z.B. das fermatsche Prinzip, die Brechung des Lichts, die Lichtbeugung oder auch das Zustandekommen der Farben an dünnen Schichten. RICHARD P. FEYNMAN hat einen Weg gefunden, dieses Teilgebiet der Quantenelektrodynamik fast ganz ohne Mathematik darzustellen. Um obige Phänomene beschreiben zu können, müssen lediglich viele kleine Pfeile gezeichnet und zu einem resultierenden Pfeil zusammengesetzt werden. Daher spricht man vom Zeigerformalismus nach FEYNMAN.

Radioaktive Altersbestimmung, auch radioaktive Zeitmessung genannt, bedeutet die Bestimmung des Alters von Mineralien, Gesteinen, archäologischen Funden oder anderen Objekten auf der Grundlage der in ihnen enthaltenen Radionuklide, deren Zerfallsprodukte oder der Isotopenzusammensetzung.
Bei organischen Stoffen kann die C-14-Methode angewendet werden.

Radionuklide werden in verschiedenen Bereichen der Technik und der Medizin eingesetzt. Bei aller Vielfalt der Nutzungsmöglichkeiten lassen sich die meisten Anwendungen auf drei grundlegende Verfahren zurückführen: das Bestrahlungsverfahren, das Durchstrahlungsverfahren und das Markierungsverfahren. Diese drei grundlegenden Verfahren sind in dem Beitrag beschrieben.

1911 veröffentlichte der britische Physiker ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) eine bedeutsame Arbeit zur Streuung von $\alpha \text{- und}\beta \text{-Teilchen}$ an Atomen. Er leitete aus diesen Untersuchungen Vorstellungen über den Aufbau von Atomen ab, die heute als rutherfordsches Atommodell bezeichnet werden. Dieses Atommodell von RUTHERFORD war ein wichtiger Schritt in der Theorie vom Atombau.
Den nächsten wichtigen Schritt ging zwei Jahre später der dänische Atomphysiker NIELS BOHR (1885-1962), der mit seinem bohrschen Atommodell Elemente der Quantenphysik in die Atomphysik einbrachte.
Es sind Auszüge aus diesen beiden Originalarbeiten angegeben.

Atome bestehen aus der Atomhülle mit den negativ geladenen Elektronen und dem Atomkern, der positiv geladen ist und in dem sich die Masse des Atoms konzentriert. Der Kernradius liegt in einer Größenordnung von ${10}^{-15}\text{m}$, die Dichte der Kernmaterie in einer Größenordnung von $2\cdot {10}^{14}\text{g}\cdot {\text{cm}}^{\text{-3}}$.
Kernbausteine (Nukleonen) sind die positiv geladenen Protonen und die elektrisch neutralen Neutronen.

* 01.05.1825 in Lausen/Kanton Basel
† 12.03.1898 in Basel

Er war ein Schweizer Mathematiker und Physiker, der empirisch eine erste Serienformel für Spektrallinien des Wasserstoffs aufstellte, die sich für die moderne Atomphysik richtungsweisend war. Insbesondere war es eine wichtige Grundlage für die Ausarbeitung des bohrschen Atommodells.

* 15.12.1852 in Paris
† 25.08.1908 in Le Croisic

Er war ein französischer Physiker und Professor für Physik in Paris.
BECQUEREL entdeckte 1896 die natürliche Radioaktivität am Uran, fand den physikalischen Charakter von Betastrahlung heraus und erhielt 1903 gemeinsam mit dem Ehepaar MARIE und PIERRE CURIE für die Entdeckung der Radioaktivität den Nobelpreis für Physik.

* 07.10.1885 in Kopenhagen
† 18.11.1962 in Kopenhagen

Er war ein bedeutender dänischer Physiker, Professor in Kopenhagen und zeitweise in den USA tätig. BOHR schuf mit seinem Atommodell wichtige theoretischen Grundlagen für die Atomphysik. Mit dem Korrespondenzprinzip und dem Komplementaritätsprinzip entwickelte er wesentliche erkenntnistheoretische Positionen der modernen Physik.

Der dänische Physiker NIELS BOHR (1885-1962) entwickelte 1913 das von dem britischen Physiker ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) im Jahre 1911 angegebene Atommodell weiter, wobei er das Kern-Hülle-Modell mit Quantenvorstellungen verband. Bohr formulierte für sein Atommodell, das man als bohrsches Atommodell bezeichnet, einige grundlegende Postulate. Ein Vorteil dieses Atommodells war, dass man mit ihm die Emission und Absorption von Strahlung erklären konnte. Für Wasserstoff konnten auch die Spektrallinien berechnet werden. Entscheidende Nachteile waren, dass es bei anderen Atomen als Wasserstoff versagt und im Widerspruch zu quantenphysikalischen Erkenntnissen von der Vorstellung bestimmter Bahnen der Elektronen ausgeht.

* 20.10.1891 in Manchester
† 23.07.1974 in Pinehurst bei Cambridge

JAMES CHADWICK war ein englischer Physiker. Er forschte gemeinsam mit RUTHERFORD über Radioaktivität und Kernumwandlung. 1932 entdeckte er das von RUTHERFORD bereits 1921 vorhergesagte Neutron. 1935 erhielt er dafür Nobelpreis für Physik. CHADWICK war an der Entwicklung der amerikanischen Atombombe beteiligt.

Curie, Marie, geb. Marya Sklodowska
* 07.11.1867 in Warschau
† 04.07.1934 in Sancellemoz (Frankreich)

Sie war eine französische Physikerin polnischer Herkunft, entdeckte zusammen mit ihrem Mann die Radioaktivität und einige radioaktive Elemente und untersuchte sie intensiv.

Curie, Pierre
* 15.05.1859 in Paris
† 19.04.1906 in Paris

Er war ein französischer Physiker, der zusammen mit seiner Frau die Radioaktivität und einige radioaktive Elemente untersuchte.

Als Elementarteilchen bezeichnet man die kleinsten Bausteine der Materie, aus der auch alle Stoffe zusammengesetzt sind.
Früher nahm man an, dass die Atome und Moleküle die kleinsten Bausteine der Materie sind. Später entdeckte man, dass auch diese Teilchen aus noch kleineren Bestandteilen bestehen, z.B. aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Diese Bestandteile bezeichnet man heute als Elementarteilchen. Sie besitzen eine Masse und z.T. eine elektrische Ladung. Neben den genannten sind heute noch über 200 weitere Elementarteilchen bekannt.
Man teilt diese Elementarteilchen in der Regel nach ihrer Masse in drei Gruppen ein:

• Leptonen (leichte Teilchen), z.B. Elektronen,
• Mesonen (mittelschwere Teilchen,
• Baryonen (schwere Teilchen), z.B. Protonen und Neutronen.

Man weiß mittlerweile, dass einige dieser Elementarteilchen aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen.

Bereits in der Antike gab es Vorstellungen darüber, dass die Stoffe aus sehr kleinen Teilchen bestehen könnten. Sie wurden als Atome (atomos (griech.) = das Unteilbare) bezeichnet. Über viele Jahrhunderte spielte aber diese Idee keine Rolle. Erst im 18. und 19. Jahrhundert wurde im Zusammenhang mit der Entwicklung der Wärmelehre und der Elektrizitätslehre die Frage nach den elementaren Bausteinen der Stoffe wieder aufgegriffen. Die Frage, ob Atome nur ein Modell sind oder tatsächlich existieren, konnte aber erst in den ersten beiden Jahrzehnte des 20. Jahrhundert entschieden werden.

* 29.09.1901 in Rom
† 29.11.1954 in Chicago

Er war der bedeutendste italienische Physiker des 20. Jahrhunderts, leistete wesentliche Beiträge zur Theorie des Atombaues, leitete den Bau des ersten Kernreaktors und arbeitete an der Entwicklung der Atombombe mit. 1938 erhielt er den Nobelpreis für Physik für die Bestimmung von neuen, durch Neutronenbeschuss erzeugten radioaktiven Elementen und die in Verbindung mit diesen Arbeiten durchgeführte Entdeckung der durch langsame Neutronen ausgelösten Kernreaktionen.