Quanten und Atome Besteht Licht aus Teilchen oder breitet es sich als Welle aus? Eine Entscheidung zwischen der Teilchentheorie Newtons und der Wellentheorie von Huygens war im 17. Jh. nicht möglich. Erst 1801 konnte der englische Wissenschafter Thomas Young (1773– 1829) die Interferenz von Licht und damit die Welleneigenschaften des Lichts nachweisen. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831–1879) erkannte um 1860, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht: Beschleunigte elektrische Ladungen verursachen elektrische und magnetische Kraftwirkungen, die sich als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. Elektromagnetische Wellen können elektrische Ladungen in Schwingung versetzen und dadurch nachgewiesen werden. Als dies Heinrich Hertz tatsächlich gelang, sagte er: „Die Wellentheorie des Lichts ist, menschlich gesprochen, Gewissheit.“ Die weitere Entwicklung zeigte, dass das Kapitel Licht jedoch keineswegs abgeschlossen war. Sie führte zu Beginn des 20. Jh. zu den beiden großen physikalischen Revolutionen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. In diesem Kapitel vertiefen wir die Diskussion zu den gegensätzlichen Modellen des Lichts und zeigen den keineswegs geraden Weg von den Phänomenen zu einer konsistenten Theorie, die uns die Zusammenhänge erklärt und unser Weltbild erweitert. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie war um 1900 noch ungeklärt. Der innere Aufbau der Atome war noch unerforscht, was nicht verwunderlich ist: Das Elektron wurde erst 1897 entdeckt. Die Untersuchung der Spektren von glühenden Körpern führte im Jahr 1900 auf das Planck’sche Strahlungsgesetz. Das Planck’sche Wirkungsquantum h = 6,63·10−34 J·s tritt dabei als neue Naturkonstante auf. Ihre universelle Bedeutung für die Energie von Licht sollte sich bald zeigen: Licht verhält sich wie ein Strom von Energiepaketen, den Lichtquanten oder Photonen. Die Spektren von Gasen stellten die Physik vor weitere Rätsel: Wie lassen sich die beobachteten Spektrallinien verstehen, was verraten sie über den Atomaufbau? Die Grundlagen der Quantenphysik wurden im Jahr 1925 von Werner Heisenberg (1901–1976) und im Jahr 1926 von Erwin Schrödinger (1887–1961) gelegt. An die Stelle eines strengen Determinismus treten Wahrscheinlichkeitsaussagen. Die Ausarbeitung der Quantenphysik zu einer genauen Beschreibung der Wechselwirkung von Licht mit Materie (Quantenelektrodynamik) erfolgte in den späten 1940er Jahren. Im 21. Jh. sind die Aussagen der Quantenphysik unbestritten. Ihre Erklärung in Alltagssprache ist schwierig. Daher ist es wichtig, ihre Bedeutung als Grundlage u. a. der Atom-, Kern- und Halbleiterphysik zu verstehen. Beispielsweise ermöglicht sie mit den Transistoren leistungsstarke Werkzeuge wie Handys und Supercomputer. Intensiv werden derzeit unter dem Begriff „Quantentechnologien“ neue Anwendungen (Quantensensoren, Quantencomputer, …) entwickelt. 93.1 Aus dem Spektrum eines glühenden Körpers kann man auf seine Temperatur schließen. 93.2 Die Eigenschwingungen von Musikinstrumenten sind eine Analogie zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen im Atom. 93.3 Ohne Laser ist moderne Unterhaltungselektronik kaum vorstellbar. 93 Theorieentwicklung/Quantenphysik/Atomphysik y75p6s Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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