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1912 wurde durch WALTHER FRIEDRICH (1883-1968) und PAUL KNIPPING (1883-1935) erstmals die Interferenz von Röntgenstrahlung nachgewiesen. Damit wurde ihr Wellencharakter bestätigt. Aufgrund der sehr kleinen Wellenlänge von Röntgenstrahlen sind Interferenzmuster nur zu registrieren, wenn die verwendeten Gitter sehr fein sind. Diese Bedingung wird durch Kristallgitter erfüllt. Die Lage von Interferenzmaxima ist durch die sogenannten BRAGG-Gleichung gegeben. Sie lautet:
$k\cdot \lambda =2d\cdot \sin {\alpha }_{\text{k}}$
Genutzt wird die Interferenz von Röntgenstrahlen bei der Röntgenstrukturanalyse, einem Verfahren zur Bestimmung der Anordnung von Atomen und Ionen in Kristallen.

Das von NIELS BOHR (1885-1962) in die Quantenphysik eingeführte Komplementaritätsprinzip kennzeichnete er selbst mit dem Satz: „Die Begriffe Teilchen und Welle ergänzen sich, indem sie sich widersprechen; sie sind komplementäre Bilder des Geschehens.“
Nach dem Komplementaritätsprinzip kann ein Interferenzmuster nur beobachtet werden, wenn die zu einem Versuchsergebnis beitragenden klassisch denkbaren Möglichkeiten nicht durch eine Messung unterscheidbar sind („Welcher-Weg“-Information). Unterscheidbarkeit erhält man z.B. dadurch, dass man Atome verwendet, die Photonen emittieren. Man hat dies in den neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts in verschiedenen Varianten durchgeführt: Bei einem der Experimente wurden Atome an einer stehenden Lichtwelle wie an einem Gitter gebeugt. In einer anderen wurde mithilfe von zwei stehenden Lichtwellen ein Atom-Interferometer realisiert.

* 07.06.1862 in Preßburg (jetzt: Bratislava)
† 20.05.1947 in Messelhausen (Baden)

Er war ein deutscher Physiker und hervorragender Experimentator. Durch seine Experimente mit Katodenstrahlen sowie seine Untersuchungen zum lichtelektrischen Effekt hat er mit den Weg zur modernen Atom- und Quantenphysik gebahnt. Für seine Arbeiten über Katodenstrahlen erhielt er 1905 den Nobelpreis für Physik.

Der britische Chemiker und Physiker WILLIAM CROOKES (1832–1919) erfand im Jahr 1873 ein Radiometer, mit dem er glaubte, den Lichtdruck nachweisen zu können. Diese Anordnung wird auch als Lichtmühle bezeichnet.
Sie besteht aus einer evakuierten Glaskugel mit einem drehbar gelagerten vierflügeligen Rad darin, das sich bei Bestrahlung mit Licht oder Wärme dreht. Wie sich jedoch später herausstellte, wird die Drehung der schwarz und weiß gefärbten Flügel nicht durch den Druck der Strahlung hervorgerufen; sie beruht stattdessen darauf, dass sich die beiden Seiten unterschiedlich stark erwärmen.

Licht kann man sich als einen Strom von winzigen Energieportionen, den Photonen, vorstellen. Jedes dieser Photonen besitzt Energie und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Ihm kann eine Masse und ein Impuls zugeordnet werden.
Photonen entstehen in der Atomhülle. Zwischen ihrer Energie und der Frequenz des Lichtes besteht direkte Proportionalität.

* 24. 04. 1858 in Kiel
† 04. 10. 1947 in Göttingen

Er war einer der bedeutendsten Physiker des 19. und 20. Jahrhunderts und begründete im Jahre 1900 die Quantentheorie. Daneben veröffentlichte er zahlreiche bedeutsame Arbeiten zur Thermodynamik, befasste sich mit erkenntnistheoretischen Problemen und war viele Jahre lang als ständiger Sekretär der Preußischen Akadenmie der Wissenschaften sowie als Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften tätig. Diese Gesellschaft wurde 1948 in Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (Abkürzung: MPG) umbenannt und spielt auch heute in der Forschungslandschaft eine bedeutsame Rolle.

MAX PLANCK (1858-1947) war derjenige Wissenschaftler, der im Jahre 1900 eine von ihm aufgestellte Strahlungsformel begründete und dabei eine Konstante einführte, die heute die Bezeichnung plancksches Wirkungsquantum oder plancksche Konstante trägt. Das plancksche Wirkungsquantum hat einen Wert von:
$h=\mathrm{6,626}069\cdot {10}^{-34}\text{J}\cdot \text{s}$
Das plancksche Wirkungsquantum ist eine fundamentale Naturkonstante, die grundlegende Bedeutung für die Beschreibung der Energieportionen hat, die Quanten zuzuordnen sind.

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.