Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
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Quantenmechanik


Einführung

Bisher haben wir uns nur mit dem Wellen­aspekt des Lichts beschäf­tigt. Nun werden wir den Fokus noch kurz auf den Teilchen­aspekt des Lichts betrachten.

In der Realität kann man sehr viel mit klassischen Methoden beschrei­ben. Aber vieles darüber hinaus lässt sich nur mit quanten­mecha­nischen Methoden ergründen. So war es Max Planck, der als erster versuchte, die Wärme­strahlung mittels Quanten­hypothese zu beschreiben. Und einige Jahre später hatte Albert Einstein die Idee, dass das Licht nicht nur einer elektro­magnetischen Welle gleicht, sondern auch Teilchen­eigen­schaften hat.

Ein sehr wichtiges Experiment im Jahre 1909, das soge­nannte „Ehrenhaft-Millikan-Experiment”, beschreibt, dass die elek­trische Elementar­ladung nur in Quanten vorkommt. Es wurde gezeigt, dass es ein elek­trisches Elementar­quantum gibt und dass keine Teilchen existieren, deren Ladungen kleiner sind als ein solches Elementar­quantum. Anderer­seits stellt sich jede Ladung nur als ein Viel­faches dieses Elementar­quantums dar. Elek­tronen und Protonen tragen als Ladung ein solches Elementar­quantum.

Doch bereits 1887 hatte Heinrich Hertz die ersten Experi­mente zum soge­nannten Photo­effekt gemacht. Da sich die Elek­tronen bei den Metallen in den ober­sten Energie­levels relativ frei bewegen können, ver­ursachen diese den Strom­fluss in den Metallen. Man spricht in diesem Zusammen­hang auch von den Leitungs­elektronen. Anderer­seits gibt es eine gewisse Austritts­arbeit, auf­grund der solche Elek­tronen das Metall verlassen. Wird diese Arbeit nicht auf­gewendet, bleiben die Elek­tronen in dem Metall.

Die Spannungs­reihe hat auf­gezeigt, dass es Metalle gibt, bei denen diese Austritts­arbeit relativ hoch ist, bei anderen dagegen niedriger. Somit ist es bei den edleren Metallen schwieriger, Elek­tronen aus dem Verband heraus­zulösen. Zink ist zum Beispiel ein Metall, bei dem nur geringe Austritts­arbeit von Nöten ist. Dennoch ist es so, wenn man eine Zink­platte elektrisch auflädt, dass die Austritts­arbeit ansteigt, um Elek­tronen aus der Ober­fläche heraus­zulösen.

Und so hatte Hertz im Jahr 1887 die Idee, eine Zink­platte mit Licht zu bestrahlen. Je inten­siver dieses Licht wird, desto mehr Energie wird auf das Zink über­tragen, sodass letzt­lich Elek­tronen die Zink­ober­fläche verlassen. Dieser Vorgang wird auch als Photo­elek­trischer Effekt bezeichnet.

Grafik (wird später eingefügt)

Das bedeutet im Detail, dass das Licht in Quanten auf eine solche Zink­platte auf­trifft. Die Energie jedes dieser Licht­quanten steht aber nicht mit der Licht­intensität in Zusammen­hang, sondern viel­mehr mit der Frequenz des Lichts.

Und es war Albert Einstein, der 1905 heraus­fand, dass nicht die Licht­intensität, sondern die höher frequentierte ultra­violette Strah­lung für diesen Effekt verant­wort­lich ist. Er war es, der die Licht­quanten­hypothese auf­gestellt hat:

Licht kann auf­gefasst werden in Form von Teilchen (Photonen) mit einer Energie h · ν.

h   ist eine Proportionalitätskonstante
ν   ist die Frequenz des Lichts

Die Energie eines solchen Photons ist propor­tional zur Frequenz.

Das Plancksche Wirkungs­quantum wird auch definiert als:

Somit ist die Arbeits­energie der Elek­tronen, die aus der Ober­fläche heraus geschlagen werden, definiert als:

Wo   ist die Austrittsarbeit


In diesem Zusammen­hang hat Hertz auch nach­gewiesen, dass das Licht als elektro­magne­tische Wellen aufge­fasst werden kann.

Die bisherige Betrachtung hat also gezeigt, dass es hier einen Dualismus gibt. Licht kann als Welle und als Teil­chen aufge­fasst werden.




Teilchenaspekt des Lichts

Entspre­chend des Teilchen­aspektes des Lichts, ist die Energie eines Licht­teil­chens (Photon) definiert als:

ω = 2π · ν   ist die Austrittsarbeit

Meistens schreibt man in der Beziehung ω statt ν, als reduziertes Wirkungs­quantum.

Wenn die Photonen aber tatsäch­lich Teil­chen sind, kann man davon ausgehen, dass diese Teil­chen einen Impuls auf­weisen. Nun gilt es, diesen Impuls auszu­rechnen.

Das bedeutet wiederum, dass sich die Photonen mit Licht­geschwin­dig­keit aus­breiten. Natür­lich ist es so, dass bei heran­nahen an die Licht­geschwin­dig­keit die dynamische Masse eines Teil­chens über alle Grenzen anwächst. Daher muss die Ruhe­masse gleich Null sein, auch wenn die Photonen im klassischen Sinn nicht ruhen. Insofern haben die Photonen eine entspre­chende Energie und eine entspre­chende Masse.

Wir hatten bereits die Beziehung erarbeitet:

Anderseits kennen wir auch den Ausdruck für den Impuls:

Wenn wir beide Gleichungen miteinander in Beziehung setzen, ergibt sich:

Da wir es aber mit Photonen zu tun haben, entspricht v = c, und daraus folgt:

Und damit erhalten wir zunächst für den Impuls eines Photons:

Oder anders ausgedrückt:

λ · ν   ist die Phasen­geschwindigkeit

Die Wellenlänge war ja definiert als:

k   ist die Wellenzahl

Durch Einsetzten erhält man entsprechend:

Und damit erhalten wir tatsäch­lich für den Impuls eines Photons:


Damit wird das Licht auf­gefasst als Teil­chen mit einer Energie E und einem Impuls p. Wird das wiederum mit dem Wellen­aspekt des Lichts in Verbin­dung gebracht, ergibt sich ein Welle-Teilchen-Dualismus.

Grafik / Folie (wird später eingefügt)

1927 haben Davisson & Germer die berühmten Interferenz­versuche mit Elektronen­strahlen gemacht.

...

Grafik / Folie (wird später eingefügt)

Selbst bei Elek­tronen erhält man ein entspre­chendes Beugungs­muster. Und damit zeigt sich, dass auch aus anderer Sicht Teil­chen Wellen­eigen­schaften besitzen.


Und so ergibt sich jetzt auf­grund obiger Über­legungen, dass man zu den Teil­chen die „De-Broglie-Wellen” ein­führt. Meistens bezeichnet man sie auch als Materie­wellen. Denn wenn man den Impuls des Teil­chens kennt, erhält man sofort die De-Broglie-Wellenlänge:

m   entspricht hier der Elektronen­masse (1/1836 der Protonenmasse)

Damit ergibt sich, dass man für makros­kopische Teil­chen extrem kleine Wellen­längen erhält.

Beispielrechnung:


Das heißt, für „makros­kopische” Teil­chen ist der Wellen­aspekt praktisch unsichtbar.

De Broglie hat diesen Wellen­aspekt benutzt, um zu zeigen, dass man damit die Quanten­haftigkeit der Energie­niveaus bei den Elek­tronen in der Elek­tronen­hülle eines Atoms fest­stellen kann.

Es ging darum zu erklären, wieso es zu der Quanti­sierung der Energie der Hüllen­elektronen in den Atomen kommt. Dass es eine Quanti­sierung gibt, war schon seit längerem bekannt. Es gibt nämlich Spektren bei verschie­denen Materien, die sich beim Verbrennen in einer Flamme in einer ganz genau definierten Farbe darstellt, was dann einer ganz bestimmten Frequenz entspricht.

Es sind also Photonen, mit einer genau definierten Frequenz. In dem Atom muss daher etwas Bestimmtes passieren, damit eine genau definierte Energie frei wird. Daher müssen die Atom­hüllen quanti­sierte Energien haben.

Grafik (wird später eingefügt)

Wenn sich eine bestimmte Anzahl von Wellen­längen ergibt, erhält das Atom einen in sich geschlos­senen Zustand. Deshalb sind auch nur bestimmte Frequenzen und Wellen­längen möglich. Und mit bestimmten Frequenzen ergeben sich auch nur bestimmte diskrete Elek­tronen­energien in der Atomhülle.




Franck Hertz-Versuch

Um das zu unter­mauern, gab es 1914 den Franck Hertz-Versuch. Hierfür wurde eine läng­liche Elektronen­röhre verwendet. Auf der einen Seite befindet sich eine Glüh­kathode und auf der anderen Seite eine Anode. Die angelegte Spannung kann entspre­chend von außen gemessen werden. In der Röhre befindet sich im wesent­lichen Vakuum und ein kleines Gefäß mit Queck­silber, sodass sich Queck­silber­dampf mit geringer Konzen­tration in der Röhre ausbreiten kann.

Wenn die Elek­tronen von der Kathode zur Anode wandern, werden die Elek­tronen auf ihrem Weg mit einzelnen Queck­silber­atomen zusammen­stoßen. Solang die Elek­tronen keine aus­reichend hohe Energie haben, um eine diskrete Energie­differenz in der Elek­tronen­hülle des Queck­silber­atoms zu über­schreiten, können sie ihre Energie nicht abgeben. Deshalb werden die Elek­tronen nur elastisch zusammen­stoßen und weiter­fliegen.

Dennoch wird ihre kinetische Energie laufend größer, bis sie schließ­lich doch noch einen Energie­über­gang in der Elek­tronen­hülle bewirken. In diesem Fall kommt es zu einem nicht­elastischen Stoß und die Elek­tronen verlieren ihre ganze Energie, bleiben stehen, und ihre Energie springt auf die Queck­silber­atome über. Die angeregten Hüll­enelek­tronen fallen anschlie­ßend wieder zurück und senden dabei ein Photon aus.

Ausgehend von einer kleinen Spannung, erhöht sich der Strom immer mehr, sobald auch die Spannung erhöht wird. Sobald eine bestimmte Spannung erreicht ist, bei der die Elek­tronen, noch bevor sie die Anode erreichen, bereits unelastisch mit einem Queck­silber­atom zusammen­stoßen konnten, verharren die Elek­tronen an Ort und Stelle und der Strom geht zurück. Auf diese Weise lässt sich bei stetig zuneh­mender Spannung ein Auf und Ab des Stromes beobachten.

Mit einem digitalen Transienten­rekorder lassen sich diese Strom­schwankungen sehr schön bei stetig zuneh­mender Spannung visuali­sieren. Die Schwingungen der Strom­kurve, die sich daraus ergeben, lassen sich mit der Wellen­gleichung beschreiben.

Erwin Schrödinger hat 1926 eine nicht relativis­tische Wellen­gleichung für massive Teilchen auf­gestellt. Denn die Photonen haben Ruhe­masse Null. Aber die Elek­tronen haben dagegen eine Masse.

Und diese berühmte „Schrödinger-Gleichung” lautet:

Ψ   ist die wellenhafte Auslenkung
V   ist das entsprechende Potenzial

Das ist im Wesent­lichen die Wellen­gleichung für die Materie­wellen.

Es geht um ein Teilchen, das eine bestimmt Masse m hat und sich in einem Potential V befindet. Mit dieser Gleichung lässt sich die Wellen­funktion in der Umgebung von Atom­kernen ausrechnen.

Die wellenhafte Auslenkung Ψ ist eine komplex­wertige Funktion der drei Orts­koordinaten und der Zeit:

Diese Beziehung beschreibt die Wahr­schein­lich­keits­dichte für das Auftreten des entspre­chenden Teil­chens an einer bestimmten Stelle im Raum.

Wichtig ist dabei, dass diese Wellen­funktionen stationäre Wellen­funktionen sind. Die ursprüng­lichen Vorstel­lungen, nämlich dass Elek­tronen um einen Atom­kern kreisen, wie die Planeten um die Sonne, ist inzwischen ein altes und über­holtes Bild. Man geht heute davon aus, dass die Elek­tronen nicht kreisen, weil sie sonst Energie abstrahlen würden. Es sind vermut­lich vielmehr stationäre Zustände.

Anders würde es sich aber verhalten, wenn die Elek­tronen womöglich doch kreisen, aller­dings ständig ihren Energie­zustand wechseln würden. Wie ein solches Pulsieren möglich wäre und aussehen könnte, damit befasst sich der Bereich „Wirbel­strukturen”. Dort wird eine neue Theorie vorge­stellt, die einige der noch ungelösten physika­lischen Phänomene lösen könnte.





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