röthlein - schrödinger katze - einführung in die quantenphysik

8/9/2019 Rthlein - Schrdinger Katze - Einfhrung in die Quantenphysik

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Schrdingers KatzeEinfhrung in die Quantenphysik

VonBrigitte Rthlein

Mit Schwarzweiabbildungen vonNadine Schnyder

by Berryl /T@lia - member of [dark]

InhaltVorbemerkung des Herausgebers 7

Eine Katze wird weltberhmt 9Der Umsturz im Weltbild der klassischen Physik 15Ist Licht Teilchen oder Welle? 15Das Bohrsche Atommodell 23Quantenzahlen bringen Ordnung in die Welt 30Ein Experiment, an dem sich viele Diskussionenentzndeten 39Wellenfunktionen und Wahrscheinlichkeiten 46Heisenbergs Unschrferelation 52Tunneleffekt - Ereignisse, die eigentlich nicht passierendrften 60Die geheimnisvolle Fernwirkung zwischen zwei Teilchen

65Kosmologie und Multiweiten 74Neueste Experimente aus der Welt der Quantenphysik 78

Wie die Quantenphysik unseren Alltag verndert 87Laser 87Supraleiter. 97Quantenphysik in der Medizintechnik 103Mikroelektronik und Datenspeicherung 105Quantencomputer 109AnhangGlossar 114

Weitere Literatur 120Register 122


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grer diese Distanz der gekoppelten Teilatome ist. Auchhieraus lautet die Schlufolgerung, da bei den Abmessun-gen unserer Alltagswelt keine quantenmechanischen berra-schungen zu erwarten sind. jAchtzig Nanometer ist jedoch ein Abstand, der von denGrenordnungen der elektronischen Schaltkreise, die heutein den Labors der Computerindustrie entwickelt werden,nicht mehr allzu weit entfernt ist. So knnte es sein, da einenoch weitere Miniaturisierung der Computerchips uns einesTages in die Wunderwelt der Quantenphysik fhrt und doch

noch eine direkte Verbindung herstellt zwischen unserer All-tagswelt und den Ungewiheiten im Kleinsten, die Schrdin-ger vorhergesagt hatte.

Der Umsturz im Weltbild derklassischen Physik

Ist Licht Teilchen oder Welle?

Licht ist fr die meisten Menschen eine Selbstverstndlichkeit, ber diesie sich nicht viele Gedanken machen. Fr die Physiker ist das Licht

jedoch schon seit Jahrhunderten ein Studienobjekt, an dem sich dieGeister scheiden. Und Licht ist auch der Schlssel zur Quantenphysik.Eine der zentralen Fragen im Zusammenhang mit Licht war stets, ob esaus Wellen oder aus Teilchen besteht. Im Lauf der Jahrhunderte gab eswechselnde Schulen fr die eine oder die andere Vermutung, und vielfachbekmpften sich die Anhnger der beiden Theorien mit erbitterter Hrte.Der Leidener Mathematikprofessor Willebrord Snellius untersuchteAnfang des 17. Jahrhunderts die Brechung von Lichtstrahlen beimbergang von einem Medium zu einem anderen, also zum Beispiel von

Luft in Wasser. Dabei entdeckte er 1621 das Brechungsgesetz, das bisheute gilt. Es sagt aus, da sich Licht in unterschiedlichen Medien mitunterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Bekanntgemacht wurdedieses Gesetz jedoch erst 1637 von Rene Descartes, der sich bemhte, esgemeinsam mit anderen optischen Phnomenen durch die Annahme zuerklren, da das Licht aus kleinen Partikeln bestehe, die sich in schnellergeradliniger Bewegung befinden. So stellte er sich auch vor, da dieReflexion von Lichtstrahlen nichts anderes sei als das Abprallen derLichtteilchen an elastischen Oberflchen. Fr die Wellentheo-rie des

Lichts hingegen entschied sich etwa zur gleichen Zeit

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Der Physiker Niels Bohr entwickelte das folgende Atommodell,das in Teilen bis heute gltig ist:Atome bestehen aus Kern und Hlle. Der Atomkern ist positivgeladen, die Hlle besteht aus Elektronen, die den Kernumkreisen. Sie bewegen sich auf Bahnen, bei denen zwischender Fliehkraft und der elektrischen Anziehung durch den Kernstets Gleichgewicht herrscht. Es sind fr die Elektronen aber nurganz bestimmte Bahnen erlaubt, auf denen sie - entgegen denVorhersagen der klassischen Physik - keine Energie verlieren.Man nennt diese Bahnen Quantenbahnen, die auen liegenden

Bahnen sind energiereicher als die Bahnen weiter innen.Elektronen knnen von einer Quantenbahn auf eine anderespringen. Springt ein Elektron von einer inneren auf eine uereBahn, mu es dazu Energie aufnehmen, fllt es von einerueren Bahn auf eine innere, gibt es Energie ab. DieEnergiedifferenz wird jeweils in Form eines sogenanntenEnergiequants entweder geschluckt oder freigesetzt, man nenntdiese Energiequanten auch Photonen. Durch seine Annahmen

konnte Bohr erklren, warum beispielsweise eineWasserstoffflamme nur Licht mit ganz bestimmten Linien, alsoFrequenzen, abstrahlt. Diese Frequenzen entsprechen genauden bergngen zwischen verschiedenen Bahnen. Die jeweiligeFrequenz berechnet sich nach der Formel

E = h*v

wobei h eine Konstante ist, die man Plancksches

Wirkungsquantum nennt, und v die Frequenz des Photonsbezeichnet.

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chen durch zehn sogenannte bergangsmetalle, Scandiun bis Zink.Ganz hnlich wird die fnfte Reihe durch zehn weiterebergangsmetalle unterbrochen, Yttrium bis Cadmium Die sechsteReihe wird zweimal unterbrochen: durch 14 Seltene Erden und zehnweitere bergangsmetalle. Entsprechend ist die siebte und letzte Reiheaufgebaut. Die bergangsmetalle haben untereinander recht hnlichechemische Eigenschaften, aber sie lassen sich gut voneinanderunterscheiden. Die Seltenen Erden hingegen sind sich so hnlich^ daman sie chemisch nur mit Mhe trennen kann.Wendet man nun die oben geschilderten Regeln fr den Aufbau derElektronenhllen auf die einzelnen Elemente an, wird also das Atom

von innen nach auen mit Elektronen besetzt, wobei die Schalen in derReihenfolge ihrer Energie aufgefllt werden. Es gibt bestimmteElektronen auf weiter auen gelegenen Schalen, die eine geringereEnergie besitzen als andere aufweiter innen gelegenen Schalen,dadurch kommen die bergangsmetalle und die Seltenen Erdenzustande. Bei der geschilderten Anordnung haben jeweilsbereinander? stehende Elemente in der uersten Schale gleich vieleElektronen; damit liegt die Vermutung nahe, da das chemischeVerhalten der Stoffe von der Anzahl der uersten Elektronengesteuert wird.Auch hier ergibt sich wieder eine Querverbindung, die nicht ohneweiteres zu erwarten war. Die Quantenzahlen entsprangen reinmathematisch-physikalischen berlegungen. Die Chemie aberbeschftigt sich damit, wie Atome reagieren und sich zu Moleklenverbinden. Warum reagiert Natrium mit Chlor so, da einKochsalzmolekl NaCl daraus entsteht? Wie kommt es, da zweiAtome Wasserstoff und ein Sauerstoff sich zu Wasser vereinigen?

Wieso kommen alle gasfrmigen Elemente auer den Edelgasen in derLuft nur als Zweier-Molekle vor? Auf diese und hnliche Fragen gibtdas Schalenmodell des Atoms eine verblffend einfache Antwort,

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vollstndig aus, die Anordnung zu analysieren, denn der Ausgang desVersuchs ist bekannt.Ein Experiment jedoch, das tausendfach durchgefhrt wurde und zurErklrung ebenso wie zur Widerlegung der Quantenphysik diente, ist jenes mit dem Doppelspalt. Was haben Physiker nicht alles durchdiesen Spalt gejagt: Licht aller Wellenlngen, Schrotkugeln,Elektronen, Protonen, Blle, Rntgenstrahlen. Sie haben dieDetektoren verndert, verfeinert, bewegt, den Doppelspalt verschobenund bewegt, Megerte dazwischengeschoben, und trotzdem sind dieErgebnisse dieses Experiments immer wieder verblffend, und ihreAnalyse gab den Forschern lange Zeit Rtsel auf.

Das Experiment vergleicht das Verhalten von verschiedenen Objekten,wenn sie durch einen Doppelspalt fliegen. Die Grundanordnungbesteht aus einer Wand mit zwei Lchern (oder schmalen Schlitzen),hinter der in einigem Abstand eine zweite Wand steht, die mitDetektoren ausgerstet ist. Woraus diese im einzelnen bestehen, istunterschiedlich, je nachdem, welche Objekte beobachtet werdensollen. Die Detektoren haben aber immer die Fhigkeit, daseintreffende Objekt und seinen Einschlagpunkt zu registrieren. Vor derWand mit den beiden Lchern befindet sich die Quelle. Sie sendet dieObjekte aus, die man beobachten will.Das erste Gedankenexperiment geht davon aus, da die ObjekteGewehrkugeln sind, also relativ groe Geschosse. Vor der Wand mitden zwei Lchern steht ein Maschinengewehr und schiet mit einergewissen Streuung Kugeln auf die Anordnung. Manche dieser Kugelnfliegen durch Loch l, andere durch Loch 2. Viele werden von denRndern der beidenl Lcher abgelenkt. Dies hat zur Folge, da die aufder hinteren* Wand auftreffenden Kugeln ber die ganze Flche

verteilt sind.Mit dieser Anordnung will man experimentell die Antwort auf dieFrage finden: Wie gro ist die Wahrscheinlich-

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Interterenz-Expenmente: oben mit Gewehrkugeln, in der Mittemit Wasserwellen, unten mit Elektronen. Loch 1 befindet sich inder Wand jeweils oben, Loch 2 unten.

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Bis jetzt hat diese weltberhmte Untersuchung gezeigt, wo derentscheidende Unterschied zwischen Teilchen und Welle verborgenist: Teilchen knnen nur in Form von Paketen registriert werden,Wellen knnen interferieren, also sich gegenseitig verstrken undauslschen.Das Experiment ist aber noch nicht zu Ende. Es wird nun zum drittenMal durchgefhrt, diesmal jedoch sind die Objekte Elektronen. Man

kann sich als Quelle beispielsweise einen hocherhitzten Metalldrahtvorstellen, der Elektronen aussendet, die mit Hilfe eines elektrischenFeldes in Richtung auf die Wand mit den zwei Lchern beschleunigtwerden.Welches Ergebnis ist in diesem Fll zu erwarten? Elektronen sindTeilchen, deshalb spricht viel dafr, da sie ebenso wie dieGewehrkugeln pckchenweise ankommen, denn ein

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halbes Elektron ist nicht denkbar. Dies lat sich dadurch nachprfen,da man die Detektoren an der Aufprallwand zum Beispiel wie kleineGeigerzhler aufbaut, die immer dann ein Knacken hren lassen, wennein Elektron ankommt. (Man kann in der Tat das Auftreffen derElektronen bei diesem Versuch als Abfolge von vielenKnackgeruschen hren.) Die Elektronen kommen tatschlich einzelnund in Form von Paketen an, sind also offenbar Teilchen. Verschlietman wieder je ein Loch und lt die Elektronen nur durch das anderefliegen, erhlt man wieder die Kurven W l und W2.Registriert man nun aber die Hufigkeit, mit der die Elektronen anbestimmten Punkten der Auttrerfwand einschlagen, so bekommt man

und dies ist wirklich erstaunlich - keineswegs die gleicheVerteilung wie bei den Gewehrkugeln, sondern die Kurve, die sich beiden Wasserwellen eingestellt hat. Wie kann mit Teilchen eine solcheInterferenz entstehen?Richard Feynman, Nobelpreistrger und einer der berhmtestentheoretischen Physiker unseres Jahrhunderts, hat in seinenVorlesungen auch dieses Problem behandelt. In der ihm eigenen,unterhaltsam-didaktischen Art schreibt er: Es ist alles recht mysteris.Und je mehr man es sich anschaut, um so mysteriser erscheint es.Viele Theorien sind ausgetftelt worden, um zu versuchen, durcheinzelne Elektronen, die auf komplizierten Wegen durch die Lcherlaufen, die Kurve zu erklren. Keine von ihnen hatte Erfolg. (...) Wirschlieen daraus folgendes: Die Elektronen kommen als Klumpen an,wie Teilchen, und die Ankunftswahrscheinlichkeit dieser Klumpen istverteilt wie die Intensitt einer Welle. Es ist in diesem Sinn zuverstehen, da sich ein Elektron manchmal wie ein Teilchen undmanchmal wie eine Welle verhlt.

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die sich fr den Laien als so abgehoben und meist gar nicht mehrnachvollziehbar darstellt, hat sehr wohl unser aller Leben beeinflut.Und ihre Geschichte ist mit Sicherheit noch nicht zu Ende.

Tunneleffekt - Ereignisse, die eigentlich nichtpassieren drften

Das quantenmechanische Prinzip, da man fr den Aufenthaltsorteines Teilchens immer nur eine Wahrscheinlichkeitsverteilungangeben kann, hat auch praktische Konsequenzen, die sich imExperiment berprfen lassen. Mehr noch: Einige Phnomene derPhysik kann man berhaupt nur dadurch erklren, da Teilchen nieganz genau lokalisierbar sind.So ausgefeilt die Theorien sind, die inzwischen ber dieElektronenhlle des Atoms entwickelt wurden, so ungenau sind auchheute noch die Votstellungen ber den Aufbau des Atomkerns. Alles,was man wei, ist, da er aus positiv geladenen Protonen und neutralenNeutronen besteht und da er in der Hauptsache durch die Kernkrftezusammengehalten wird. Manche Theorien gehen davon aus, da auchim Kern hnliche Schalen wie in der Hlle des Atoms existieren, undsie versuchen damit die Tatsache zu erklren, da es Elemente mitbesonders stabilen Konstellationen im Kern gibt. Diese treten bei densogenannten magischen Zahlen auf wie 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126.Mit hnlichen Zahlenspielereien wie einst fr die Elektronenhlle

versucht man, die Entstehun der magischen Zahlen zu ergrnden. Aberdiese Theorien sind bis heute nicht vollstndig befriedigend.Eine der Modellvorstellungen, die man fr den Atomkern hat, ist dasBild vom sogenannten Potentialtopf. Er entsteht, wenn man dieKrfte, die dort auftreten, einander ber-

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lagert und in einem Diagramm auftrgt. In seiner Wirkung entsprichtdieses Potential wirklich einem Topf, denn fllt man beispielsweiseeinen echten Topf mit Kugeln, so benehmen diese sich dott hnlichwie die Protonen und Neuttonen in ihrem gedachten Potentialtopf.Im Zentrum des Kerns herrschen die Kernkrfte vor, die sehr starksind. Je weiter man sich vom Mittelpunkt entfernt, desto mehr nehmendiese Krfte ab, dafr treten nun zunehmend die abstoendenelektrischen Krfte zwischen den gleichnamig geladenen Protonen inden Vordergrund. Der Rand des Kerns, symbolisiert durch den Randdes Potentialtopfes, ist also gerade der Bereich, in dem ein Proton nichtmehr von den Kernkrften festgehalten, sondern von den elektrischen

Abstoungskrften nach auen weggedrckt wird.Normalerweise berschreiten Protonen und Neutronen im Kern dieseGrenze nie. Da jedes Atom stets versucht, den

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Die Polarisation eines Teilchens ist wie sein Spin einequantenmechanische Ja/Nein-Eigenschaft. Das Teilchen ist entwederin eine Richtung polarisiert oder in die andere, nie aber in beide

Richtungen gleichzeitig. Richtet man also beispielsweise einenLichtstrahl auf einen Polarisationsfilter, so wirkt dieser wie die obengeschilderte Jalousie: Die Photonen, deren Spin parallel zu den"Lamellen {der Fachmann spricht von Polarisationsebenen) steht,kommen durch, die anderen nicht. Die Photonen, die hinter dem erstenFilter ankommen, sind also alle in eine bestimmte Richtung polarisiert,die parallel zu den Lamellen des ersten Filters ist.Angenommen, diese Richtung soll waagrecht sein. Baut man nun

hinter dem ersten Filter einen zweiten auf, dessen Lamellen senkrechtstehen, werden alle Photonen abgeblockt, da ihre Polarisationsrichtung ja waagrecht ist, Mit zwei zueinander senkrecht stehendenPolarisationsfiltern kann man also jeden Lichtstrahl zu hundert Prozentunterbrechen.Nun gibt es aber eine Erweiterung dieses Experiments, die einverblffendes Ergebnis erbringt, das nur mit Hilfe derQuantenmechanik zu verstehen ist. Angenommen, man stellt zwischendie beiden Filter einen dritten, dessen Lamellen mit denen des ersten

Filters einen Winkel von 45 Grad bilden. Die dort ankommendenPhotonen haben einen Polarisationswinkel, der von dem der Lamellenum 45 Grad abweicht, das heit, nach der klassischen Vorstellungdrfte keines der Photonen hindurchgehen. Das Experiment zeigt aber,da in Wirklichkeit fnfzig Prozent der Photonen durchkommen, Dieslt sich nur erklren mit der quantenmechanischenWahrscheinlichkeit. Sie gibt nmlich jedem Teilchen die fnf-zigprozentige Chance, den Filter zu durchdringen. Und es gibt noch

eine zweite Merkwrdigkeit: Die Polarisationsebene derdurchgekommenen Photonen wurde parallel zu den Lamellen deszweiten Filters ausgerichtet, also auch um

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und ihren Energiezustand mit. Auf diese Weise erhlt manInformationen ber das nichtklassische Strahlungsfeld im Inneren desResonators, ohne es zu zerstren.

Der Ein-Atom-Laser stellt ein sehr interessantes Modellsystem frdas Studium nichtklassischen Lichts dar, allerdings enthlt er nurwenige Photonen und ist deshalb fr viele praktische Anwendungenschlecht geeignet. An der Universitt Konstanz wird deshalb zur Zeitdaran gearbeitet, auf ganz anderem Wege Perlenketten-Licht mitweit hherer Intensitt zu erzeugen. Man benutzt dafr die FrequenzVerdoppelung in gewissen optisch nichtlinearen Kristallen.Da all diese Theorien und Experimente, so exotisch sie heute nocherscheinen mgen, nicht nur l'art pour l'art sind, zeigen vielfltigeberlegungen, wie man mit Hilfe dieses Perlenketten-Lichts dieoptische Kommunikation revolutionieren knnte, denn damit wre esmglich, mit kleinstem Aufwand ein Optimum an Informationen zubertragen. Kein Wunder, da weltweit auch in den groenComputerfirmen ber das nichtklassische Licht nachgedacht wird.

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Wie die Quantenphysik unseren Alltagverndert

Laser

Obwohl Albert Einstein aufgrund seiner theoretischen berlegungenschon 1914 vorhergesagt hatte, da es etwas wie einen Laserstrahlgeben msse, gelang es Forschern erst I960, dieses Prinzip in ein Gertumzusetzen. Es ist wohl die bedeutendste Entwicklung, die unmittelbarauf der Quantenphysik beruht.Das Wort ist Programm: Laser - der Begriff hat sich inzwischen auchim Deutschen so eingebrgert, da kaum jemand noch daran denkt,da es sich dabei um eine Abkrzung handelt. Light Amplification bythe Stimulated Emission of Radiation ist der volle Name, und dasheit auf deutsch: Licht Verstrkung durch angeregte Strahlungsaus-sendung.Vom praktischen Standpunkt aus gesehen ist der Laser eine

Lichtquelle, die einen enggebndelten Strahl aussendet. DieserLichtstrahl hat eine bestimmte Wellenlnge, und seine gleichfrmigenWellen laufen parallel und synchron. Physiker nennen diese beidenEigenschaften monochrom und kohrent. Normales Lichthingegen besteht aus vielen verschiedenen Wellenlngen, und seineWellenzge schwingen nicht parallel und nicht im Takt.Laser gibt es inzwischen in einer ungeheuren Vielfalt. IhreWellenlnge reicht vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich, ihreStrke variiert von Bruchteilen eines Milliwatt bis

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Das Prinzip eines Lasers

In einem normalen Gas befinden sich fast alle Atome oderMolekle im Grundzustand, also im Zustand mglichst geringerEnergie. Nur wenige Teilchen, die durch einen Sto oderbeispielsweise durch ein einfallendes Photon angeregt wurden,sind in einem hheren Energiezustand. Sie fallen aber nacheiner gewissen Zeit wieder zurck in ihren Grundzustand.Pumpt man durch geeignete Manahmen - etwa durch das

Einstrahlen von Licht oder durch eine elektrische Entladung -systematisch Energie in das Gas hinein, wobei die Photoneneine bestimmte, genau passende Gre haben mssen,nehmen die Teilchen des Gases die Energie auf und gehen ineinen angeregten Zustand ber. Man nennt dies eine Inversion.Nach einiger Zeit senden sie die Energie von selbst wieder ausund fallen in den Grundzustand zurck. Man kann sie aber auchdazu zwingen, die Energie wieder abzugeben, indem man sieerneut mit einem Photon gleicher Gre bestrahlt. Im Laser wirdeine solche Inversion gezielt aufgebaut. Die parallelen Spiegelan den Enden reflektieren die freiwerdenden Photonen hin undher. Dabei treffen sie auf angeregte Teilchen und zwingen diesezur Abgabe ihrer Energie. So werden immer mehr Photonen frei,es entsteht ein Lawineneffekt. Der Laserstrahl aus parallelenPhotonen wird durch einen der Spiegel, der halb durchlssig ist,nach auen gestrahlt.

1. Normalerweise befinden sich die meisten Atome eines Mediums im Grundzustand,nur wenige sind zufllig angeregt.2. Pumpt man Energie in das Medium, werden dadurch Atome angeregt, sie geben kurzdarauf die Energie in Form von Photonen wieder ab [spontane Emission}.3. Durch das Auftreffen eines Photons werden angeregte Atome gezwungen, ihreEnergie abzugeben (stimulierte Emission]. Zwei Spiegel am Ende bndeln das Licht.

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1.angeregtes Atom

2.

3.Spiegel stimulierte halbdurchlssiger

Emission Spiegel

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Glossar Brechung


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Glossar

Absorption

Aufnahme eines Teilchens oder eines Energiequants beispielsweisedurch ein Atom.

Anregung

Der bergang eines Teilchens oder eines Atoms in einen hherenEnergiezustand. Die Anregung wird meist ausgelst durch dieAbsorption eines Energiequants.

AntimaterieGegenstuck zur normalen Materie, das heit, sie kann Materievernichten. Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen. Stbt es mitdem entsprechenden Teilchen zusammen, dann zerstrahlen die beidenzu einem Energieblitz. Antimaterie gibt es in der Hhenstrahlung undin der Strahlung bestimmter radioaktiver Elemente, auerdem wird sieheute routinemig in groen Beschleunigerlabors hergestellt.

Atom

Wie schon Demokrit 420 vor Christus richtig vermutet hatte, bestehtalle Materie aus Atomen. Heute wei man, da das Atom aus einemKern und einer Hlle besteht. Der Kern ist ein Gemisch aus positivgeladenen Protonen und elektrisch ungeladenen Neutronen. Um denKern kreisen ebenso viele negativ geladene Elektronen, wie im KernProtonen enthalten sind.

Aufenthaltswahrscheinlichkeit

Die statistische Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu einem bestimmtenZeitpunkt an einer bestimmten Stelle zu finden.

Bosonen

Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin, die nicht dem Pauli-Prinzipunterliegen.

BrechungDa jede Welle in unterschiedlichen Medien unterschiedlicheFortpflanzungsgeschwindigkeiten hat, erleidet sie an den Grenzflchen

zwischen zwei Medien eine nderung ihrer Geschwindigkeit undRichtung.

DrehimpulsEin Ma fr das Bestreben eines rotierenden Krpers, seine Bewegungum die Drehachse weiter fortzusetzen. Bei Elementarteilchen wird derDrehimpuls auch Spin genannt.

Elektron

Es ist das Elementarteilchen, aus dem sich die Atomhlle jedenchemischen Elements zusammensetzt. Es trgt eine elektrischeEinheitsladung, die in der Gre genau, der des Protons entspricht,aber mit umgekehrtem Vorzeichen. Man spricht deshalb oft davon, dadas Elektron die Ladung -l besitzt. Es ist sehr klein; bis heute weiman nicht, ob es berhaupt eine rumliche Ausdehnung hat. SeinAntiteilchen ist das Positron,

EmissionAussendung von Strahlung oder Teilchen, beispielsweise aus einemAtom.

Fermionen

Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, die dem Pauli-Prinzipunterliegen.

Frequenz

Die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Meist wird sie inHertz gemessen, also in Schwingungen pro Sekunde. Je hher dieFrequenz einer Welle, desto hher die Energie des dazugehrigenTeilchens.

Halbleiter Neutron


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Stoffe, deren elektrische Leitfhigkeit zwischen der der Metalle undder der Isolatoren liegt. In der Mikroelektronik witd die Leitfhigkeit

mancher Halbleiter durch den Einbau von Strstellen erhht.HalbwertszeitBeim radioaktiven Zerfall verwandeln sich Atome durch Aussendungbestimmter Teilchen in andete Atome. So zerfllt beispielsweise Uran238 in mehreren Schritten zu Blei 206. Jeder einzelne Zerfall ist nichtvorhersagbar, er erfolgt zufllig. Wenn man aber viele Atomegleichzeitig betrachtet, kann man statistisch angeben, nach welcherZeitdauer die Hlfte der Atome zerfallen ist. Bei Uran 238 betrgt

diese Zeit rund 4,5 Milliarden Jahre. Andere Elemente haben krzereHalbwertszeiten: Tritium: 12,3 Jahre, Kohlenstoff 14: 5730 Jahre,Krypton: 10,76 Jahre, Jod 131: 8,02 Tage und Csium 137: 30,2 Jahre.

Interferenz

berlagerung von zwei oder mehreren Wellen, bei der eine lokaleVerstrkung oder Auslschung eintreten kann.

IonEin Atom, das durch Abgabe oder Aufnahme eines oder mehrererHllenelektronen positiv oder negativ elektrisch geladen wurde.

lonenfalle

Experimentelle Vorrichtung, bei der ein Ion mit Hilfe magnetischerund elektrischer Felder in ein winziges Volumen eingeschlossen wird.

Laser

Gert zur Herstellung eines extrem parallelen und gleichfrmigenLichtstrahls.

LichtquantSiehe Photon.

Elektrisch neuttales Elementarteilchen, das etwa die gleiche Masse wieein Proton besitzt. Zusammen mit den Protonen bildet es den

Atomkern.Pauli-Prinzip

Physikalisches Gesetz, nach dem zwei Fermionen nie im seihenSystem in allen Quantenzahlen bereinstimmen drfen.

Periodensystem

Dieses Schema ordnet die chemischen Elemente nach ihremAtomgewicht und ihren chemischen Eigenschaften. Es wurde

unabhngig voneinander von Dimittij Mendelejew und Lothar Meyerentwickelt.

Photoeffekt

Auch licht- det photoelektrischer Effekt genannt. Fr besteht darin, daLichtquanten aus manchen Festkrperoberflchen Elektronenherausschlagen knnen. Fr die Erklrung des Photoeffekts erhieltEinstein den Nobelpreis.

PhotonAuch Lichtquant genannt, ist das Energiequant derelektromagnetischen Strahlung. Es verhlt sich mitunter wie einTeilchen, mitunter wie eine Welle.

PolarisationAusrichtung eines Teilchens oder einer Welle im Raum, beispielsweisedurch seine Spinrichtung, die sich nach einem ueren elektrischen

oder magnetischen Feld richtet.

ProtonPositiv geladenes Elementarteilchen, das etwa die gleiche Masse wiedas Neutron besitzt. Zusammen mit den Neutronen bildet es denAtomkern.

Quant


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Um die Jahrhundertwende stellte Max Planck die Theorie auf, daEnergie nicht kontinuierlich, sondern in Form winzig kleiner Pakete,sogenannter Quanten, auftritt. Einstein gelang es spter, mit seinerDeutung des photoelektrischen Effekts diese Theorie zu untermauern.

QuantenzahlenZahlen, die zur Charakterisierung bestimmter Zustande von Atomeneingefhrt wurden, Sie dienen dazu, Ordnung in die Atommodelle zubringen.

Spin

Drehimpuls von Elementarteilchen. Er ist gequantelt und kann nurhalbzahlige Werte annehmen.

Supraleitung

Das Phnomen, da manche Substanzen, vor allem Metalle undkompliziert aufgebaute keramische Verbindungen, bei extrem tiefenTemperaturen schlagartig jeglichen elektrischen Widerstand verlieren.

WellenRumliche und zeitliche periodische nderungen physikalischerGren. Bei den longitudinalen Wellen liegt die Schwingungsrichtungparallel zur Ausbreitungsrichtung (Beispiel Schall), bei transversalenWellen senkrecht dazu (Beispiel Wasserwellen).

Urknall

Angenommener Beginn des Universums, der vor zirka 15Milliardenjahren stattgefunden haben soll. Die gesamte Masse und

Energie des Universums war damals in einem Punkt konzentriert,

WirkungsquantumEine der universellen Konstanten der Physik, die groe Bedeutung frdie Quantenmechanik hat. Sie gibt den Proportionalittsfaktor fr dieEnergie eines Teilchens zur Frequenz der zugehrigen Welle an. Siewird mit h bezeichnet.


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Solarzellen 108 f.Spektograph 28

Urknall 73Vakuum 11


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Spektograph 28Spektrallinien 25 Spektrum 17Spin 31

Spinquantenzahl 31Squids 102Statistik 29,57Steinberg, Aephraim M. 73Strahlungsformel 21Stromspeicherung 102Supraleitung 59,97-102Thomson, George 48Thomson, J.J. 48Tomogramme 104 f.Tsuei, ChangC. 100Tunneleffekt 60-65Tunnelstrom 64berlagerung 12berlichtgeschwindigkeit 71, 73Unbestimmtheit 53Undulationstheorie 46Universum 74-78Unschrferelation 52-55, 62, 65.79,82, 112

Vakuum 11Verschlsselungstechnik 113Verstrkung 44Wahrscheinlichkeit 9,42,51, 65,112

Wahrscheinlichkeitsverteilung 55, 57, 60Wasserstoffatom 25Wasserstoffbrcke 37Wasserstofflinien 25Welle, kohrente 87 f.Welle, longitudinale 18Welle, monochrome 87 f.Welle, synchrone 87 f.Welle, transversale 18 f.Wellenfunktion 46, 74Weilentheorie des Lichts 15-23Wheeler, John 75 Wineland, David 13Wirkungsquantum 20,22Young, Thomas 18Zerfall, radioaktiver 9,28Zwillingsverhalten 72Zyklotron-Schwingung 81, 124

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