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Quantentheorie: Eine wissenschaftliche Revolution, die die Physik für immer veränderte

Die Prinzipien und Gesetze der Quantenphysik bilden die Grundlage für Erklärungen, wie Materie und Licht funktionieren.

Für viele mag die Quantenphysik oder Quantenmechanik ein obskures Thema sein, das für das tägliche Leben wenig anwendbar ist, aber ihre Prinzipien und Gesetze bilden die Grundlage für Erklärungen, wie das istMaterie und Licht arbeiten auf atomarer und subatomarer Skala. Wenn Sie verstehen möchten, wie sich Elektronen durch a bewegenComputer Chip, wie Lichtphotonen in einem Solarpanel wandern oder sich in einem verstärken Laseroder sogar warum die Sonne weiter brennt, müssen Sie die Quantenmechanik verwenden.

Was ist Quantenphysik?

Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der sich auf die elementaren Komponenten der Natur bezieht, es ist das Studium der Wechselwirkungen, die zwischen subatomaren Kräften stattfinden. Die Quantenmechanik wurde entwickelt, weil viele der Gleichungen von klassische Mechanik, die Wechselwirkungen bei größeren Größen und Geschwindigkeiten beschreiben, sind nicht mehr nützlich oder vorhersagend, wenn man versucht, die Naturkräfte zu erklären, die auf der atomaren Skala wirken.

Die Quantenmechanik und die ihr zugrunde liegende Mathematik basiert nicht auf einer einzigen Theorie, sondern auf einer Reihe von Theorien, die von neuen experimentellen Ergebnissen, theoretischen Erkenntnissen und mathematischen Methoden inspiriert wurden, die ab der ersten Hälfte des 20, und schaffen zusammen ein theoretisches System, dessen Vorhersagekraft es zu einem der erfolgreichsten wissenschaftlichen Modelle gemacht hat.

Entdeckungen, Prinzipien und Theorien, die zur Quantenmechanik führten

Man kann sagen, dass die Geschichte der Quantenmechanik im Jahr 1859 begann, ganze 32 Jahre vor der Entdeckung des Elektrons. Viele Physiker beschäftigten sich mit einem rätselhaften Phänomen: Egal woraus ein Objekt besteht, ob es die Erwärmung überleben kannBei einer bestimmten Temperatur ist das von ihm emittierte Lichtspektrum genau das gleiche wie bei jeder anderen Substanz.

1859, PhysikerKirchhoff schlug eine Lösung vor, als er zeigte, dass die von einem schwarzen Körper emittierte Energie hängt von der Temperatur und der Frequenz der emittierten Energie ab, dh

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Ein schwarzer Körper ist ein perfekter Emitter - ein idealisiertes Objekt, das die gesamte auf ihn fallende Energie absorbiert da er kein Licht reflektiert, würde er für einen Beobachter schwarz erscheinen.Kirchhoff forderte die Physiker auf, die Funktion J zu finden, die es ermöglichen würde, die vom Licht emittierte Energie für alle Wellenlängen zu beschreiben.

In den folgenden Jahren arbeiteten eine Reihe von Physikern an diesem Problem. Einer von ihnen war Heinrich Rubens, der an der Messung der Energie der Schwarzkörperstrahlung arbeitete. Im Jahr 1900 besuchte Rubens den Physikerkollegen Max Planck und erklärte ihm seine Ergebnisse. Innerhalb weniger Stunden, nachdem Rubens gegangen wars Haus, hatte eine Antwort auf Kirchoffs Funktion gefunden, die den experimentellen Beweisen entsprach.

Planck versuchte, die Gleichung zu verwenden, um die Verteilung der über das Spektrum emittierten Farben im Leuchten von rotglühenden und weißglühenden Objekten zu erklären. Planck stellte dabei jedoch fest, dass die Gleichung implizierte, dass nur Kombinationen bestimmter Farben emittiert wurden, und in ganzzahlige Vielfache einer kleinen Konstanten die als Plank-Konstante bekannt wurde mal die Frequenz des Lichts.

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Dies war unerwartet, da zu dieser Zeit angenommen wurde, dass Licht als Welle wirkt, was bedeutete, dass die emittierten Farbwerte ein kontinuierliches Spektrum sein sollten. Planck erkannte jedoch, dass seine Lösung bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche Werte ergab.

Um zuerkläre wieAtome wurden daran gehindert, bestimmte Farben zu erzeugen, machte Planck eine neue Annahme - dass Atome Energie in Form von nicht unterscheidbaren Energieeinheiten absorbieren und emittieren - was später als Quanten bezeichnet wurde.

Zu dieser Zeit betrachtete Planck die Quantisierung als mathematischen Trick, um seine Theorie zum Laufen zu bringen. Einige Jahre später bewiesen Physiker jedoch dass der klassische Elektromagnetismus niemals das beobachtete Spektrum erklären könnte. Diese Beweise halfen, Physiker davon zu überzeugen, dass Plancks Vorstellung von quantisierten Energieniveaus tatsächlich mehr als ein mathematischer "Trick" sein könnte.

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Quelle: Hyperphysik

Einer der Beweise wurde von Einstein geliefert, der 1905 eine Veröffentlichung veröffentlichte, in der er sich das Licht nicht als Welle, sondern als Paket von "Energiequanten" vorstellte, die absorbiert oder erzeugt werden könnten, wenn ein Atom dazwischen "springt".quantisierte Schwingungsraten. In diesem Modell enthielten die Quanten die Energiedifferenz des Sprungs; wenn sie durch die Planck-Konstante geteilt wurde, bestimmte diese Energiedifferenz die Wellenlänge des von diesen Quanten abgegebenen Lichts.

1913 Niels Bohr wandte Plancks Hypothese der Quantisierung auf Ernest Rutherfords "planetares" Atommodell von 1911 an. Dieses Modell, das später Rutherford-Bohr-Modell genannt wurde, postulierte, dass Elektronen den Kern auf ähnliche Weise umkreisen wie Planeten die Sonne.Bohr schlug vor, dass Elektronen nur in bestimmten Abständen vom Kern umkreisen und zwischen den Umlaufbahnen "springen" könnten; dies würde Energie bei bestimmten Lichtwellenlängen abgeben, die als Spektrallinien beobachtet werden könnten.

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Es schien nun, dass Licht als Welle und als Teilchen wirken könnte. Aber was ist mit der Materie?

1924 verwendete der französische Physiker Louis de Broglie die Gleichungen von Einsteins spezieller Relativitätstheorie, um zu zeigen, dass Teilchen wellenartige Eigenschaften aufweisen können und umgekehrt.

Der deutsche Physiker Werner Heisenberg traf sich 1925 mit Neils Bohr an der Universität Kopenhagen, und nach diesem Treffen wandte er de Broglies Argumentation an, um die Spektralintensität eines Elektrons zu verstehen. Zur gleichen Zeit arbeitete der österreichische Physiker Erwin Schrödinger unabhängig davon,nutzte auch de Broglies Argumentation, um zu erklären, wie sich Elektronen in Atomen bewegen. Im folgenden Jahr demonstrierte Schrödinger, dass die beiden Ansätze gleichwertig sind.

1927, Heisenberg mit der Begründung, dass, wenn Materie als Welle wirken kann, es eine Grenze geben muss, wie genau wir einige Eigenschaften wie Position und Geschwindigkeit eines Elektrons kennen können. In dem, was später "Heisenbergs" genannt wirdUnsicherheitsprinzip“, argumentierte er, dass je genauer die Position eines Elektrons bekannt ist, desto weniger genau kann seine Geschwindigkeit bekannt sein und umgekehrt. Dies erwies sich als wichtiges Stück des Quantenpuzzles.

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Im Heisenberg-Schrödinger quantenmechanisches Modell des Atoms, jedes Elektron wirkt als Welle oder "Wolke" um den Kern eines Atoms, mit der Fähigkeit, nur die Geschwindigkeit oder Position eines Elektrons mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu messen.Dieses Modell ersetzte das Rutherford-Bohr-Modell.

Shrodinger-Wellengleichung. Quelle: Hyperphysik

All diese Enthüllungen zur Quantentheorie haben die Welt der Physik revolutioniert und wichtige Details über universelle Aktionen auf atomarer und subatomarer Ebene enthüllt.

Quantenmechanik kombiniert mit anderen Phänomenen in der Physik wie Relativität, Gravitation, Elektromagnetismus usw. hat auch unser Verständnis der physikalischen Welt und des Aufbaus und der Zerstörung in ihr verbessert.

Für ihre außergewöhnlichen Beiträge wurden Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg und Schrödinger 1918, 1921, 1922, 1932 bzw. 1933 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die Bohr-Einstein-Debatten

Neils Bohr und Albert Einstein. Quelle: Stalhkocher/Wikimedia Commons

Obwohl es den Anschein hat, als ob die Quantenmechanik in einer ziemlich einfachen Reihe von theoretischen Sprüngen vorangekommen wäre, gab es in Wirklichkeit viele Meinungsverschiedenheiten unter den Physikern über ihre Relevanz.

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Diese Meinungsverschiedenheiten erreichten einen Höhepunkt auf der Solvay-Konferenz 1927 in Brüssel, wo 29 der brillantesten Wissenschaftler der Welt zusammenkamen, um die vielen scheinbar widersprüchlichen Beobachtungen in der Quantentheorie zu diskutieren, die nicht in Einklang gebracht werden konnten. Ein Hauptstreitpunkt betraf dieTheorie, dass der Ort und die Geschwindigkeit von Einheiten wie Elektronen, bis sie beobachtet werden, nur als "Wahrscheinlichkeit" existieren können.

Bohr, insbesondere, betonte, dass auf Wahrscheinlichkeit basierende Quantenvorhersagen in der Lage sind, physikalische Vorgänge in der realen Welt genau zu beschreiben. In der späteren Kopenhagener Interpretation schlug er vor, dass Wellengleichungen zwar die Wahrscheinlichkeit beschreiben, wo Einheiten wie Elektronen gefunden werden könnten,diese Wesenheiten existierten nicht wirklich als Teilchen, es sei denn, sie wurden beobachtet. In Bohrs Worten hatten sie keine "unabhängige Realität" im gewöhnlichen physikalischen Sinne.

Er beschrieb, dass die Ereignisse, die auf atomarer Ebene stattfinden, das Ergebnis der Quantenwechselwirkung verändern können. Laut Bohr verhält sich ein System je nach Kontext wie eine Welle oder ein Teilchen, aber man kann nicht vorhersagen, was es tun wird.

Einstein hingegen argumentierte, dass ein Elektron ein Elektron sei, selbst wenn niemand es ansah, dass Teilchen wie Elektronen eine unabhängige Realität hätten, und führte zu seiner berühmten Behauptung, dass „Gott nicht mit dem Universum würfelt“.

Einstein und Bohr diskutierten ihre Ansichten bis zu Einsteins Tod drei Jahrzehnte später, blieben aber Kollegen und gute Freunde.

Einstein argumentierte, dass die Kopenhagener Interpretation unvollständig sei. Er theoretisierte, dass es versteckte Variablen oder Prozesse geben könnte, die den Quantenphänomenen zugrunde liegen.

1935 veröffentlichte Einstein zusammen mit seinen Physikerkollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Papier über das, was als Einstein-Boris-Podolsky EPR-Paradox bekannt wurde. Das in dem Papier beschriebene EPR-Paradoxon ließ erneut Zweifel an der Quantentheorie aufkommen.

Das EPR-Papier enthielt vorbestimmte Werte für Impuls und Teilchengeschwindigkeit und schlug vor, dass die Beschreibung der physikalischen Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantentheorie bereitgestellt wird, unvollständig ist und daher die physikalische Realität nicht aus der Wellenfunktion oder im Kontext von . abgeleitet werden kannquantenmechanische Theorie.

Quelle: Universumsbericht

Im selben Jahr antwortete Bohr auf die Behauptungen von Einstein. In seiner Antwort, veröffentlicht in der Physische Überprüfung, Bohr bewies, dass die vorgegebenen Werte für Geschwindigkeit und Impuls des zweiten Teilchens gemäß dem EPR-Paradoxon falsch waren. Er argumentierte auch, dass das Paradoxon die Unfähigkeit der Quantenmechanik, die physikalische Realität zu erklären, nicht rechtfertige.

Leben wir in einer Quantenwelt?

Quelle: Antonio Saba/Wikimedia Commons

Das Verständnis der Elementarteilchen und ihres Verhaltens hat dazu beigetragen, bahnbrechende Innovationen im Gesundheitswesen, in der Kommunikation, in der Elektronik und in verschiedenen anderen Bereichen zu schaffen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche moderne Technologien, die nach den in der Quantenphysik genannten Prinzipien funktionieren.

Laser-basierte Geräte

Bei der Lasertechnologie handelt es sich um Geräte, die Licht durch einen Prozess namens optische Verstärkung emittieren. Lasergeräte arbeiten nach dem Prinzip der Photonenemission und geben das Licht mit einer genau definierten Wellenlänge in einem sehr schmalen Strahl frei. Daher die LaserstrahlenFunktion in Übereinstimmung mit Theorien wie dem photoelektrischen Effekt, die in der Quantenmechanik erwähnt werden.

Ein Bericht aus dem Jahr 2009 zeigt, dass extrem ultraviolette Laser beim Auftreffen auf eine Metalloberfläche dazu führen können, dass sich Elektronen aus dem Atom herausbewegen. Dieses Ergebnis soll Einsteins photoelektrischen Effekt im Zusammenhang mit superintensiven Lasern weiter verstärken.

Elektronische Geräte und Maschinen

Ein MRT-Gerät. Quelle: NIH/Flickr

Von Flash-Speichergeräten wie USB-Laufwerken bis hin zu komplexen Laborgeräten wie Elektronenmikroskopen führte das Verständnis der Quantenmechanik zu unzähligen modernen Erfindungen. Leuchtdioden, elektrische Schalter, Transistoren, Quantencomputer usw. sind Beispiele für einigesehr nützliche Geräte, die aus dem Aufkommen der Quantenphysik hervorgegangen sind.

Lassen Sie uns dies anhand des Beispiels der Magnetresonanztomographie MRT verstehen. Dieses medizinische Gerät ist sehr nützlich bei der Diagnose des Gehirns und anderer Körperorgane. MRT funktioniert nach dem Prinzip des Elektromagnetismus, es hat ein starkes Magnetfeld, das dieSpin von Protonen in Wasserstoffatomen, um die Zusammensetzung verschiedener Gewebe zu analysieren.

MRT richtet alle Protonen im Körper aufgrund des Magnetfelds nach ihrem Spin ausProtonen absorbieren Energie und geben dieselbe ab Quantentheorie, der MRT-Scanner verwendet die von allen Wassermolekülen emittierten Energiesignale, um ein detailliertes Bild der inneren Körperteile zu liefern.

Röntgen

Röntgenstrahlen werden in der medizinischen Diagnose, Grenzinspektion, Industrietomographie, Krebsbehandlung und für viele andere Zwecke verwendet. Röntgenstrahlen sind eine Form elektromagnetischer Strahlung. Während die Entdeckung der Röntgenstrahlen der Quantenmechanik vorausgeht, hat die quantenmechanische Theorie die Verwendung ermöglichtvon Röntgenstrahlen auf praktische Weise.

Ein Röntgenstrahl kann als ein Strom von Quanten betrachtet werden. Diese Quanten werden aus dem Ziel der Röntgenröhre projiziert, und auf das durchdringende Gewebe entsteht eine Wirkung, die proportional zu derAnzahl der Quanten multipliziert mit der von jedem Quant getragenen Energie.

Die emittierten Elektronen emittieren auch Photonen, die können die Materie durchdringen und bilden sein Bild auf dem Röntgenschirm. Daher interagieren die in der Quantenmechanik erwähnten Elementarteilchen mit der Röntgenenergie, um das Innenbild eines Objekts zu liefern.

Fluoreszenz-basierte Anwendungen

Fluoreszenz bezeichnet die Emission von Licht unter UV-Bestrahlung, die stattfindet, wenn ein Elektron einen höheren Quantenzustand erreicht und Photonen emittiert, Leuchtstofflampen und Spektrometer arbeiten auf der Grundlage der Quantentheorie. Verschiedene Mineralien wie Aragonit, Calcit und Fluorit sind auch dafür bekannt, dass sie Fluoreszenz aufweisen.

Quelle: WPI

Fluoreszenz ist auch verwendet, um synthetische Edelsteine ​​zu entzündenund Diamanten, Schmuckhersteller nutzen dieses Phänomen, um künstliche Imitationssteine ​​herzustellen, die heller und schöner aussehen als die natürlich vorkommenden Originalsteine.

Abgesehen von diesen Anwendungen hat die Quantenmechanik zu unserem beigetragenVerständnis vieler Technologiebereiche, biologische Systeme und kosmische Kräfte und Körper. Es bleiben zwar noch einige wichtige Fragen in Die Quantenphysik, die Kernkonzepte, die das Verhalten von Energie, Teilchen und Materie definieren, sind weiterhin konstant geblieben.

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