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HWS
Meister im Astrotreff

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615 Beiträge

Erstellt am: 27.12.2019 :  00:06:07 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Die moderne Physik

Damit war die Zeit gekommen für die neue, moderne Physik, die uns die Grundlagen gab ins Allergrößte , die Weiten des Weltenraumes, und in die Welt des Allerkleinsten , das Innere der Atome und deren Bestandteile, zu schauen. Und die Physiker und Mathematiker, deren Namen unauflöslich damit verbunden sind, waren unter anderen Max Planck, Nils Bohr, Hendrik Antoon Lorentz und Albert Einstein .

Das Atommodell hatte Ahnen seit der Antike und setzte sich mehr und mehr im 19:ten Jahrhundert durch. Um sich den elektrischen Strom zu erklären, brauchte man einen sogenannten Ladungsträger. Den identifizierte man 1897 und gab ihm den Namen Elektron. Ein Elektron mußte sehr, sehr viel kleiner sein als ein Atom und eng an ein solches gebunden. Es war auch klar, daß es mit Licht interagiert. Der erste Beweis, daß Atome überhaupt existieren, kam 1905, als Albert Einstein in einer Arbeit ein Experiment zu deren Nachweis vorschlug, und das dann auch ausgeführt wurde mit positivem Resultat.
Daß die Ladung des Elektrons negativ war, wußte man auch, und diese wurde 1909 erstmals gemessen.


Das Allerkleinste
Max Planck


Im Jahre 1900 stellte Max Planck fest, daß Energie nur in ganzzahligem Vielfachen des Energiequantums aufgenommen oder abgegeben werden kann und berechnete das plancksche Wirkungsquantum h. Das klingt ja sehr vornehm, bedeutet aber, daß er das kleinstmögliche Energiepaketchen gefunden hatte. Vorher war es ganz natürlich anzunehmen, daß sich Energie kontinuierlich veränderte. Mit dieser Annahme als Grundlage ließen sich aber leider neue Messungen nicht mehr erklären und geschweige denn genau berechnen. Mit einer neuen Formel, Planck beschrieb das selber als "glücklich erraten", fand er das Verhältnis zwischen Energie und Frequenz, nämlich

Energie gleich Wirkungsquantum mal Frequenz oder E=hf ,

wobei er h erst mal eine Hilfsgröße nannte. Ein wenig später ging ihm dann auf, daß h eine Naturkonstante ist wie die Gravitationskonstante und die Lichtgeschwindigkeit.

Jetzt stimmten plötzlich Messungen und Berechnungen überein. Das war die Geburtsstunde der Quantenphysik, das will sagen, der Wissenschaft, die uns den Einblick in das Allerkleinste gibt. Das plancksche Wirkungsquantum h liegt prinzipiell allen quantenphysikalischen Berechnungen zugrunde - so auch den so genannten Planckeinheiten: Planckmasse, Planckzeit, Plancklänge, Planckladung usw. Diese Größen setzen die Grenzen, wo es für uns noch sinnvoll ist zu experimentieren, weil man unterhalb dieser Grenzen nicht mehr zwischen Ursache und Wirkung unterscheiden kann. Man kann unsere bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwenden.
Wie so oft mit neuen Erkenntnissen, dauert es eine ganze Weile, bis sie sich durchsetzen.

Albert Einstein war beinahe der einzige Physiker, der früh die tiefere Bedeutung des Wirkungsquantums erkannte. In seiner Arbeit von 1905 über den photoelektrischen Effekt beschrieb er die sogenannte "Dualität des Lichtes", das will sagen, den Teilchen-Wellencharakter der elektromagnetischen Strahlung.
Mit Lichtwellen kam man ja gut zurecht in der alten Physik, man konnte doch nicht erklären, wie elektromagnetische Wellen mit Materie interagieren und das taten sie ja. In der klassischen Physik war die übertragene Energie von der Amplitude der Welle, das heißt Wellenhöhe, abhängig und das war grundlegend falsch.

Einstein sah ein, was nicht einmal Planck sah, nämlich daß, wenn man Licht auch als Teilchen betrachtet, so besteht die elektromagnetische Strahlung aus Lichtquanten deren Energie sich mit Plancks Gleichung E=hf berechnen läßt. Die übertragene Energie ist also von der Frequenz f abhängig und die Amplitude der Welle ( Wellenhöhe ) ist nichts anderes als die Anzahl der ausgesandten Lichtquanten gleicher Frequenz.

Das alles war so revolutionierend, daß Planck und Einstein erst 1918 respektive 1921 den Nobelpreis der Physik für ihre bahnbrechenden Arbeiten bekamen. Und als der Physiker Haas 1910 erstmals die Atomgröße mit Hilfe des Wirkungsquantums bestimmte, wurde er teilweise sogar ausgelacht, trotz daß seine Berechnungen durchaus übereinstimmten mit den schon aus der Chemie bekannten Atomradien. Er dachte sich ein Atommodell mit Elektronen, die einen Kern umkreisen. Damit konnte man aber in der klassischen Physik/Mechanik überhaupt nichts anfangen aus dem einfachen Grunde, weil ein umkreisendes Elektron sehr schnell an Energie verlieren mußte und in den Atomkern stürzen würde. Man wußte nämlich auf Grund von Messungen, wenn man Elektronen beschleunigt, eine Kreisbahn kommt ja einer dauernden Beschleunigung gleich, so senden sie Licht aus und verlieren damit an Energie.

Jetzt war die Zeit gekommen für Nils Bohr , der 1913 das sogenannte bohrsche Atommodell vorschlug. In so einem Atom können Elektronen sich nur auf ganz bestimmten Kreisbahnen um den Kern bewegen, ohne Energie zu verlieren. Jede Kreisbahn hat ein ganz bestimmtes Energieniveau. Und ein Elektron, das von einer Kreisbahn auf die andere hupft sendet ein Lichtquant aus oder absorbiert es. Genauer gesagt: donnert ein Lichtquant in ein Atom hinein, so zwingt es, wenn es genug Energie hat, das äußerste Elektron auf eine höhere Kreisbahn mit höherem Energieniveau und wird absorbiert. Wenn dann nichts mehr passiert, fällt dasselbe Elektron auf seine natürliche Kreisbahn zurück und sendet wieder ein Lichtquant aus.

Phantastisch - plötzlich war die Erklärung für die kleinen Energieportiönchen da - der sogenannte Quantensprung der Elektronen von einer Kreisbahn auf die andere. Und noch besser: die Wellenlänge/Frequenz des Lichtes ließ sich auf diese Weise haargenau berechnen mit Hilfe des Wirkungsquantums h.

Das alles machte Bohr und sein Atom sehr schnell berühmt und sein Atommodell wurde der Ausgangspunkt aller weiteren Erkenntnisse in der Welt des Allerkleinsten. Doch dauerte es noch bis 1924-1926 bis der Durchbruch für die Quantenphysik kam und man überhaupt Atome mit mehreren Elektronen verstehen konnte und das alles auf der Grundlage des Wirkungsquantums h. Heute berechnet man im Allerkleinsten alle Größen genauestens mit h und das Lichtquant bekam übrigens 1926 endgültig den Namen Photon.

Das war der eine Pfeiler der neuen Physik - die Welt des Allerkleinsten.

HWS

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