Frage von michelle0606, 68

Was ist die Quantentheorie?

Hallo,

(1905) konnte der Nobelpreisträger Albert Einstein den Photoeffekt mit seiner Quantentheorie des Lichts erklären und beweisen.

Aber was genau ist die Quantentheorie und wie hat er es geschafft es damit zu beweisen?

Könntet ihr mir das bitte in EIGENEN WORTEN erklären? und so dass man es leicht verstehen kann, auch wenn man kein "Physikgenie" ist?

(und bitte nicht schreiben, dass ich googeln soll... das habe ich schon getan aber die Erklärung verstehe ich irgendwie nicht... also bitte bitte in eigenen Worten)

Vielen vielen Dank jetzt schon mal :)

Mia

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 19

Hier jetzt ein historischer Abriss:

Quantentheorie des Lichts

Das Wort »Quantum«bezieht sich anders als bei James Bond nicht auf Trost ;), sondern z.B. auf elektromagnetischer Energie. Da nämlich haben alle Quantentheorien bzw. hat »die Quantentheorie« ihren Ursprung.

Als Erster postulierte Max Planck 1900 zur theoretischen Erklärung seines Strahlungsgesetzes, dass Licht, also elektromagnetische Strahlung, nicht in beliebig großen oder kleinen Mengen, sondern nur in bestimmten »Portionen« oder »Quanten« an Energie aufgenommen oder abgegeben werden könne, die zur Frequenz f proportional sind. Den Proportionalitätsfaktor nannte er h wie »Hilfsgröße« und hoffte, diese später durch eine umfassendere Beschreibung überflüssig machen zu können. Die Quanten (heute Photonen genannt) haben also die Energie

(1) E = hf = ℏω (ℏ = h/2π)

Stattdessen erklärte Albert Einstein 1905 genau unter Rückgriff auf die Lichtquantenhypothese den Befund, dass der Photoelektrische Effekt, bei dem Elektronen durch Beleuchtung aus einem Metall nur mit Licht oberhalb einer bestimmten (vom Metall abhängigen) Frequenz f funktioniert.

Modellhaft kann man sich vorstellen, das Metall bilde eine Kuhle und die Elektronen seien Bälle. Um sie hinauszukicken, muss man kräftig genug trete, denn dieselbe Energie auf viele Tritte verteilt bringt nichts.

Dafür übrigens erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis.

Quantisierung der Zustände des Elektrons im Atom

Im Jahre 1911 entdeckte Ernest Rutherford, dass die positive Ladung im Atom in einem räumlich winzigen Kern konzentriert ist. Damit war die sich teilweise bis heute haltende Vorstellung geboren, ein Atom sei so etwas wie ein Planetensystem im Mikrokosmos. Die verträgt sich allerdings nicht mit der Elektrodynamik, denn ein derartiges Atom würde als Hertzscher Dipol ständig elektromagnetische Wellen mit zunehmender Frequenz und damit Energie abstrahlen und so das Elektron in den Kern stürzen.

Um zu erklären, wieso dies nicht geschieht, postulierte Niels Bohr 1913, dass es einfach gewisse Kreisbahnen mit (Bahn-)Drehimpuls

(2) L = n·ℏ, n=1,2,3,…

gebe, auf denen sich das Elektron strahlungsfrei bewegen könne. Als Verfeinerung dieses Modells kann das  mit Arnold Sommerfeld 1916 erarbeitete Atommodell gelten, in dem die Bahnen auch elliptisch sein können.

Als nächster Zwischenschritt postulierte Louis deBroglie 1924 eine Wellennatur des Elektrons mit dem Wellenvektor

(3) k = p/ħ, k = |k| = 2π/λ.

Das Elektron muss demnach eine stehende Welle bilden.

Schließlich stellte Erwin Schrödinger 1926 eine Gleichung für Materiewellen auf, deren Lösungen für Elektronen im Atom als Orbitale bezeichnet werden. Sie haben eine räumliche Gestalt und erinnern in Abbildungen an Luftballons, wobei aber die »Haut« des Ballons einfach eine Fläche bezeichnet, innerhalb derer ein Elektron in dem zugehörigen Zustand wahrscheinlich angetroffen würde, wollte man es lokalisieren. Clinton Davisson und Lester Germer bestätigten 1927 die Wellennatur des Elektrons durch ein Beugungsexperiment.

Spin und Pauli-Prinzip

Um einige Befunde in den optischen Spektren von Atomen erklären zu können, schlugen Samuel Goudsmith und George Uhlenbeck 1925 vor, dem Elektron einen Spin (»Eigendrehimpuls) ½ħ zuzuschreiben.

Allerdings lässt sich dieser nicht als Ergebnis einer »Drehung des Elektrons um die eigene Achse« beschreiben. Es ist ein innerer Freiheitsgrad, der relativ zu einer gegebenen Achse zwei mögliche Orientierungen annehmen kann, und dessen Ursprung theoretisch erst durch die mit der SRT konsistente Gleichung von Pauls Dirac (1928) wirklich theoretisch begründet werden könnte.

Bereits 1925 stellte Wolfgang Pauli jedoch die Hypothese auf, dass sich Elektronen am selben Ort nicht genau im selben Zustand befinden können; dies erklärt auch, warum Orbitale »voll besetzt« sein können und weitere Elektronen da nicht mehr »hineinpassen«, worauf die gesamte Chemie beruht.

Modellhaft kannst Du Dir vorstellen, sie seien - wie andere Spin-½-Teilchen auch - Damen, die sich partout weigern, auf derselben Party im selben Outfit zu erscheinen. Wenigstens ein »Accessoire« muss anders sein, eben die Ausrichtung des Spin.

Antwort
von PhotonX, 25

Hallo Mia,

das Wort "Quantentheorie" ist etwas allgemein. Es gibt die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie. Das Licht als elektromagnetisches Feld wird von einer Quantenfeldtheorie beschrieben, der Quantenelektrodynamik. Weitere Quantenfeldtheorien beschreiben anderen Wechselwirkungen, zum Beispiel die starke Kernkraft.

Einsteins Quantentheorie des Lichts von 1905 war natürlich nicht die Quantenelektrodynamik (die entstand mehrere Jahrzehnte später). Was Einstein postuliert hat, ist dass Licht als eine große Menge von Lichtquanten (Photonen) verstanden werden kann, wobei jeder Lichtquant eine bestimmte Menge von Energie mit sich trägt. Die Energie ist direkt Proportional zur Frequenz des Lichts: E=h*f (wobei h das Planksche Wirkungsquantum ist und f die Frequenz des Lichts).

Weißes Licht ist ja eine Mischung unterschiedlichster Farben und somit Frequenzen, es besteht also aus Photonen ganz unterschiedlicher Energien. Ein Laser-Strahl aber hat eine ganz bestimmte Farbe und somit Frequenz, seine Photonen haben also alle die gleiche Energie. Die Photonen eines blauen Lasers haben dann mehr Energie als die eines roten Lasers (siehe Lichtspektrum).

Mit dieser Annahme konnte Einstein den Photoelektrischen Effekt erklären. Dort hat  man nämlich gemessen, dass Elektronen aus einer Metallplatte "herausgehoben" werden können, wenn sie mit blauem Licht bestrahlt wird, aber nicht wenn sie mit rotem Licht bestrahlt wird. Das liegt daran, dass das "Herausheben" eines Elektrons eine Mindestenergie erfordert. Photonen von blauem Licht haben genug Energie dafür, während Photonen von rotem Licht nicht genug Energie haben.

Wichtig ist, dass ein Elektron die Energie nicht anhäufen kann, sonst könnten ja auch mehrere energiearme rote Photonen gemeinsam die notwendige Energie liefern. Die Energie muss wirklich von einem einzigen Photon gestellt werden.

Expertenantwort
von TomRichter, Community-Experte für Physik, 19

> Könntet ihr mir das bitte in EIGENEN WORTEN erklären?

Klar könnte ich das. Aber wenn ich annehmen würde, dass meine Erklärung verständlicher ist als die in Wikipedia, dann würde ich den Wikipedia-Eintrag überarbeiten.

Ich verstehe nicht, wieso so viele Schüler, die einen Wikipedia-Eintrag nicht beim ersten Querlesen verstanden haben, glauben, jemand anderes könne ihnen den anscheinend komplizierten Sachverhalt in wenigen Worten erklären.

DAS GEHT NICHT! Es sei denn, Du hast schon so viel Vorkenntnisse, dass Du auch den diagonal gelesenen Wikipedia-Eintrag verstehst.

> so dass man es leicht verstehen kann, auch wenn man kein "Physikgenie" ist?

Man braucht kein Physikgenie zu sein. Aber "leicht" (im Sinne von: ohne Mühe und ohne Zeitaufwand) geht das nicht, Du musst Dich in die Materie einarbeiten und ggf. auch den einen oder anderen Fachbegriff, der in der Erklärung vorkommt, erst nachschlagen.

Du kannst einen Teil der Zeit und Mühe durch Geld ersetzen: Bezahle einen Nachhilfelehrer dafür, es Dir zu erklären. Funktioniert aber nur im direkten Kontakt halbwegs brauchbar. Vielleicht noch Videokonferenz (habe ich nie probiert), aber weder per Telefon noch per Chat.

Kommentar von SlowPhil ,

Es gibt aber immer eine Kurz- und eine Langerklärung.

In der Wikipedia steht der Artikel aber in einer enzyklopädischen Form, und das ist vielleicht zu viel auf einmal. Vielleicht ist z.B. meine »Groberklärung« deshalb für den Anfang hilfreicher als ein kompletter Wiki-Artikel, weil man ihn schneller lesen kann. Dann kommen die Details.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 15

Vorab: Es gibt eigentlich nicht die Quantentheorie, sondern es gibt die sog. alten Quantentheorien, die Anfang des 20. Jhd.s entwickelt wurden, und der in den 1920er und 1930er Jahren daraus entwickelten, systematisch formulierten Quantenmechanik.

Grob kann man sagen, dass es gemäß der Quantentheorie nicht »klumpige« Teilchen »hier« und »kontinuierliche« Wellen »dort« gibt, sondern nur Quanten (von Quantum, etwa »eine bestimmte Menge, Portion von etwas«), die Eigenschaften von beidem haben (»Welle-Teilchen-Dualismus«).
Dabei haben einige Quanten einen stärker ausgeprägten Teilchencharakter als andere, und für große Quantenzahlen setzen sich dann die Eigenschaften von einer Seite durch. Details folgen.

Antwort
von TheAllisons, 37

Lies dir den Beitrag in Wikipedia durch, wenn nötig auch mehrmals, dann verstehst auch du das. Du sollst es ja in der Schule auch selber erklären können.

Kommentar von michelle0606 ,

Ich muss gleich am Montag ein Referat halten und da kommt der Begriff vor...

Kommentar von TheAllisons ,

na, dann hast du ja noch heute und morgen Zeit dir das durchzulesen, fange gleich damit an.

Kommentar von ThomasJNewton ,

mehrmals

Das ist das Zauberwort.

Und auch mehrere Quellen, jeweils mehrmals.

So machen es vermutlich die meisten oder alle, die keine Physik-Genies sind.

@michelle0606:
Es muss ja in deinen Schädel rein, und da ist die Verpackung in anderen Schädeln nicht unbedingt hilreich oder passend

Antwort
von Kaenguruh, 27

Einstein hat ein Metallstück mit kurzwelligem Licht bestrahlt. Es wurden Elektronen aus der Oberfläche herausgeschlagen. Die Anzahl der Elektronen war dabei unabhängig von der Frequenz des Lichts, aber bei höherer Frequenz waren sie schneller. Bei einer höheren Intensität des Lichts wurden mehr Elektoren herausgegeschlagen, aber deren Geschwindigkeit blieb gleich. Er folgerte daraus, daß Licht aus Teilchen besteht, die die Elektronen herausschlagen. Intensiveres Licht besteht aus mehr Teilchen, aber gleicher Energie pro Teilchen. Licht höherer Frequenz aus gleichviel Teilchen, aber höherer Energie pro Teilchen. Das ganze heißt Photoelektrischer Effekt.

Kommentar von Kaenguruh ,

Er hat damit die Teilchennatur des Lichts bewiesent. Diese Teilchen heißen Photonen.   Licht hat aber auch eine Wellennatur. Je nach Experiment tritt die eine oder andere zutage.

Antwort
von Herb3472, 39

Mit einfachen Worten lässt sich die Quantentheorie leider nicht erklären, dafür musst Du schon ein etwas tiefgreifenderes Verständnis für physikalische Zusammenhänge und Vorgänge haben.

https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik

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