Sexl Physik 7, Schulbuch

Kompetenzbereiche: Theorieentwicklung/Quantenphysik/Atomphysik Quanten und Atome Lange standen sich gegensätzliche Vorstellungen über die Natur des Lichts gegen- über. Eine Entscheidung zwischen der Teilchentheorie N EWTON s und der Wellen- theorie von H UYGENS war im 17. Jh. nicht möglich. Erst 1801 konnte der englische Wissenschafter T HOMAS Y OUNG (1 773–1829) die Interferenz von Licht und damit die Welleneigenschaften des Lichts experimentell nachweisen. Der schottische Physi- ker J AMES C LERK M AXWELL (1831–1879) erkannte um 1860, dass Licht aus elektro- magnetischen Wellen besteht: Beschleunigte elektrische Ladungen verursachen elektrische und magnetische Kraftwirkungen, die sich als Wellen mit Lichtge- schwindigkeit im Raum ausbreiten. Solche Wellen können andere elektrische Ladungen in Schwingung versetzen und dadurch nachgewiesen werden. Als dies H EINRICH H ERTZ tatsächlich gelang, sagte er: „Die Wellentheorie des Lichts ist, menschlich gesprochen, Gewissheit.“ Die weitere Entwicklung zeigte, dass das Kapitel Licht jedoch keineswegs abge- schlossen war. Sie führte zu Beginn des 20. Jh. zu den beiden großen physikali- schen Revolutionen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik . Im Kapitel Quanten und Atome werden folgende Themen behandelt: Zunächst vertiefen wir die Diskussion zu den gegensätzlichen Modellen des Lichts und zeigen dabei den keineswegs geraden Weg von den Phänomenen zu einer kon- sistenten Theorie, die uns die Zusammenhänge erklärt (Weltbild). Die Energie des Lichts und was uns Licht über den Aufbau von Atomen sagt, ist das nächste Thema. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie war um 1900 noch ungeklärt. Der innere Aufbau der Atome war noch unerforscht, was nicht verwunderlich ist: Das Elektron wurde erst 1897 entdeckt. Die Untersuchung der Spektren von glühenden Körpern führte im Jahr 1900 auf das Planck’sche Strahlungsgesetz. Das Planck’- sche Wirkungsquantum h = 6,63 · 10 −34 J · s tritt dabei als neue Naturkonstante auf. Ihre universelle Bedeutung für die Energie von Licht sollte sich bald zeigen: Licht verhält sich wie ein Strom von Energiepaketen , den Lichtquanten oder Photonen. Die Spektren von Gasen stellten die Physiker vor weitere Rätsel: Wie lassen sich die beobachteten Spektrallinien verstehen, was verraten sie über den Atomaufbau? Abschließend geht es um Grundzüge der Quantenphysik . Die Grundlagen der Quantenphysik wurden im Jahr 1925 von W ERNER H EISENBERG und im Jahr 1926 von E RWIN S CHRÖDINGER gelegt. An die Stelle eines strengen Deter- minismus treten Wahrscheinlichkeitsaussagen . Die Ausarbeitung der Quanten- physik zu einer genauen Beschreibung der Wechselwirkung von Licht mit Materie ( Quantenelektrodynamik ) erfolgte in den späten 1940er Jahren. Man könnte da- her glauben, dass die Quantenphysik heute nach fast hundertjähriger Entwicklung kaum mehr Stoff zur Diskussion gibt. Das Gegenteil ist der Fall. Links: Aus dem Spektrum eines glühenden Körpers kann man auf seine Temperatur schließen. Mitte: Die Eigenschwingungen von Musikinstrumenten sind eine Analogie zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen im Atom. Rechts: Ohne Laser ist moderne Unterhaltungselektronik kaum vorstellbar. 4sh5mw 83 | Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv