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Quantenphysikalische Phänomene

Einige grundlegende quantenphysikalische Phänomene

In diesem Abschnitt sind kurz gefasst einige historisch wichtige Erkenntnisse zusammengestellt, die zeigen, dass man bestimmte atomistische Phänomene mit den Annahmen der klassischen Physik nicht erklären kann, denn gerade sie waren für die Entwicklung der Atommodelle von besonderer Bedeutung.

Strahlung eines schwarzen Körpers

Im Jahre 1900 gelang es Planck, die Strahlung eines schwarzen Körpers zu erklären. Der wichtigste Schritt dabei war sicherlich die Einführung der so genannten Quantenhypothese. Diese besagt, dass ein Oszillator nicht mit beliebiger Energie schwingen kann, sondern nur diskrete Werte der Form E n = n h ν annehmen kann. Dabei ist n = 0, 1, 2, 3, ... und h = 6,626176 10 - 34 Js das Planck'sche Wirkungsquantum, eine von Planck neu eingeführte Naturkonstante, und ν die Frequenz der Strahlung. Mit noch einigen anderen Postulaten konnte Planck eine Strahlungsformel herleiten, die sich mit allen experimentellen Ergebnissen deckt. Alle klassischen Erklärungsversuche (Rayleigh-Jeans bzw. Wien) waren daran gescheitert, das Verhalten bei hohen bzw. niedrigen Frequenzen vorauszusagen.

Photoelektrischer Effekt

1905 ging Einstein mit der Formulierung der Lichtquantenhypothese jedoch noch weiter. Diese besagt u.a., dass nicht allein der strahlende Oszillator (vgl. Planck) nur bestimmte Energiezustände annehmen kann, sondern dass die Strahlung selbst bezüglich der Energie eine gequantelte Struktur hat. Die Strahlung setzt sich nämlich aus Energiequanten, so genannten Photonen, zusammen, zwischen deren Energie und Frequenz der Zusammenhang E n = h ν besteht. Durch die Lichtquantenhypothese konnte der schon vorher untersuchte, aber unaufgeklärt gebliebene Photoeffekt verstanden werden. Planck erhielt dafür den Nobelpreis verliehen.

Compton-Effekt

1922 hatte Compton bei der Untersuchung von Kristallen, die er mit Röntgenstrahlen durchleuchtete, eine Streustrahlung festgestellt, deren Wellenlänge größer war als die der einfallenden Strahlung. Compton konnte diesen Effekt dadurch deuten, dass die einfallenden Strahlen (= Photonen) mit Elektronen elastisch stoßen und diesen so Energie übertragen, die sich in einem Energieverlust der Photonen (= Zunahme der Wellenlänge) bemerkbar macht. Dabei ordnete er den Photonen den Impuls p = h ν c zu. Setzt man diese Beziehung in den Energie- und den Impulserhaltungssatz ein, so kann man die beobachtete Wellenlängenverschiebung in Abhängigkeit vom Streuwinkel der Strahlung korrekt vorhersagen. Klassisch wäre keine Wellenlängenänderung der Strahlung, sondern eine Abnahme der Intensität zu erwarten gewesen.

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