Die Quantentheorie

Quantentheorie

Die Quantentheorie ist allgemein die Bezeichnung für die Theorie über mikrophysikalische Phänomene. Kernaussage der Quantentheorie ist, dass Vorgänge in der Natur nicht kontinuierlich sondern sprunghaft erfolgen. Ferner sind diese Vorgänge nicht beliebig genau vorhersagbar, sondern es sind nur Aussagen über die Wahrscheinlichkeit des Eintretens gewisser Ereignisse möglich. Diese Quantisierung tritt jedoch erst bei der Beobachtung molekularer, atomarer oder subatomarer Systeme in Erscheinung.
Die Quantentheorie ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik, weil sie durch ihre Fähigkeit, Vorgänge in der atomaren Welt korrekt zu beschreiben, viele technische Entwicklungen erst möglich gemacht hat, wie z. B. Kernenergie, Laser, Kernspintomographie und den Halbleitertransistor, ohne den unsere heutige computerisierte Welt nicht möglich wäre.

Welle - Teilchendualismus (Photoeffekt und Röntgenstrahlung)

Neues Atombild:

Das Elektron ist eine Welle = stehende Welle (wie Gitarrensaite)

.......Amplitude der e^- Welle (maximale Auslenkung)

Energie ist "gequandelt"(= sprunghafte Energieänderungen)

Energieniveaus: e^- können die Energie im Atom nicht kontinuierlich erhöhen bzw. verringern.
Welche Energieniveaus sind möglich? Verknüpfung mit dem alten Atombild: e^- als kreisendes Teilchen. Länge der Gitarrensaite = Umfang der Kreisbahn
U = 2r
=
, 2
, 3

Eine stehende Welle kann nur entstehen, wenn die Länge der schwingenden Saite gleich
,
2
, 3
, etc......(ein vielfaches von
) ist.

.......die Wahrscheinlichkeit für den Aufenthalt eines Elektrons
Der Bereich, wo die Wahrscheinlichkeit ein e^- zu finden 90% beträgt = Orbital (= Aufenthaltsbereich).

Ausnahmeregel von Wolfgang Pauli:

Es geht nicht, das sich zwei Elektronen mit dem gleichen Spin in einem Orbital befinden.
Spin sind die Eigendrehungen der Elektronen im Atom
Spin +1/2 (dreht sich im Uhrzeigersinn), Spin - 1/2 (dreht sich gegen den Uhrzeigersinn)

Compton Effekt: Wechselschwingung von Licht und Materie

Photonen (Licht) treffen ein ruhendes Elektron, Elektron fliegt weg. Photon hat größeres

und weniger Energie nach dem Zusammenstoß.
E = h * f = Bewegungsenergie des e^- nach dem Zusammenstoß + reduzierte Energie des Photons.

Werner Heisenberg

Teilchen als Welle betrachten

Wenn man ein Elektron auf einen Spalt schießt, dann wird es gebeugt.
Ort von Impulsbestimmung:
Je kleiner der Spalt, desto größer die Beugung. Wenn man den Ort genau wissen will, muss man den Spalt verkleinern
Beugung groß - Impuls ungenau. Man kann Ort und Impuls gleichzeitig nicht exakt bestimmen =

Heisenberg'sche Unschärfetheorie

h x........Ort, p.......Impuls,
........Ungenauigkeit, die Auftritt bei der
Ortsbestimmung oder Impulsbestimmung


h

........Energieschwankung,
t..............Zeitraum

Beispiele:
1. Tunneleffekt: erklärt den Zerfall eines Kerns unter Abgabe von
- Strahlung

Raster - Tunnelmikroskop

Tunneleffekt:
Der Tunneleffekt beschreibt ein Teilchen in einem Energiebereich (hier Elektron), in dem es sich nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht aufhalten darf - es durchdringt oder "durchtunnelt" diesen Bereich.

Raster - Tunnelmikroskop

Bringt man einen negativ geladenen Körper einer positiv geladener Nadel (die Strom leitet) nahe, ohne sie zu berühren, so fließt elektrischer Strom auf den Körper. Elektronen tunneln durch den Luftspalt durch Energieschwankungen
E.
Energieschwankung gilt nur für gebundene Teilchen. Bei freien Teilchen kann die Energie kontinuierlich zu - bzw. abnehmen.

Laser

Sonne: 7kW/cm²
Laser: 10 MW/cm²( ca. 1000fache mehr)

Anwendung:

hohe Leistung:

Medizin: zum Schneiden (sehr genau außerdem blutet Wunde nicht)
Technik: zum Schneiden (auch sehr genau, darum arbeite mit dem Laser den das ist schlau)

Interferenzfähigkeit: CD's, Holographie (=Technik, 3D - Bilder herzustellen)

Taschenlampe: inkohärentes Licht (= nicht interferenzfähig, Lichtstrahlen gehen in alle Richtungen)
Laser: kohärentes Licht (= interferenzfähig), die Wellen schwingen in der selben Ebene.
Aufbau
Laser besteht aus Xenonröhre, Rubinstab, Reflexspiegel
Die Teilchen werden zwischen den Spiegeln reflektiert. Durch Aufnahme von Energie wandert das Teilchen in ein höheres Energieniveau = Absorption der Strahlung. Da die Elektronen nur einen minimalen Energiezustand einnehmen wollen, fallen sie durch Freisetzung von Energie in Form von Lichtquanten (elektromagnetische Wellen) auf ein niedrigeres Energieniveau zurück (= spontane Emission). Der Zeitpunkt, die Ebene und die Richtung der Energieabgabe sind spontan.

Grundlage ist die Besetzungsumkehr:

Mittels Xenonblitzröhre werden die Elektronen auf ein höheres Energienieveau gehoben (= Pumpstrahlung). Da sie sich auf diesen Energieniveau nicht halten können, beginnt ein spontaner Zurückfall.

Grundlage: die Energie soll gebündelt werden, deshalb sollten alle Elektronen ihre Energie gleichzeitig abgeben. Die Elektronen fallen auf ein metastabiles Energieniveau zurück und sammeln sich. Ein Elektron beginnt spontan herunter zu fallen und gibt einen Lichtquanten ab. Dadurch werden die restlichen Elektronen dazu angeregt, dem Elektron zu folgen

(= Resonanz). Das Folgen der restlichen Elektronen nennt man indusierte Emission.

Streuung: die Prozesse Absorption und Emission folgen hintereinander ab (= Energieaufnahme und Energieabgabe)

Das Licht der Sonne trifft auf Luftmoleküle, wird abgelenkt und zerstreut. Blaues Licht kann besser gestreut werden. Hätten wir keine Luftmoleküle, wäre der Himmel schwarz. Am Abend ändert sich die Wegstrecke des Lichtes. Ein roter Himmel wird sichtbar, weil an dieser Stelle das blaue Licht fehlt, das in alle anderen Richtungen zerstreut wurde.
Laserlicht ist nur dann sichtbar, wenn es auf Staubmoleküle trifft.

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