Einführung in die Struktur der Materie Atomphysik/Quantenphysik

Reinhard Dörner Institut für Kernphysik

Doerner@hsb.uni-frankfurt.de

„Was die Welt im Innersten zusammenhält“

Dynamik und Struktur Moleküle, Atome, Kernematerie

Arbeitsgruppen am Institut für Kernphysik

Hochenergie Kernphysik

R. Stock H. Ströbele C. Blume

Atom/Molekülphysik

H. Schmidt-Böcking R. Dörner

Themen für Seminarvorträge:

10.11. Die Paulfalle10.11. Die Penningfalle

1.12. Bohr-Einstein Debatte um die Quantenmechnik

15.12. Beugung von „Fußbällen“ ein modernes Doppelspalt Experiment

26.1. Der Maser26.1. Ramsey Atomstrahlinterferenz

9.2. Zweiphotonenspektroskopie 

1. Einführung1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien

Zentrale Unterschiede von klassicher und quantenmechanischer Sicht:

Klassische Theorien (Newtonsche Mechanik, Maxwell Elektrodynamik)

Quantenmechanik

•Deterministisch aus maximaler Beobachtung eindeutig auf Zukunft und Vergangenheit schliessen

•Indeterministisch nur Wahrscheinlichkeitsaussagen

•Teilchen: Orts&Impuls&Zeit Punkte

•Teilchen: Wellenfunktion

•Realität lokal d.h. räumlich entfernte Teilchen sind nur über

Kräfte verknüpft, Lichtgeschwindigkeit

•Realität nichtlokal auch weitentferne Teilchen sind verschränkt (Überlichtgeschwindigkeit)

•Kontinuierlich:(stetig, differenzierbar)

Energie und Drehimpuls kann jeden Wert annehmen

•Gequantelt: Energie und Drehimpuls habe nur diskrete Werte

„Those who are not shocked when they first come across quantum mechanics cannot possibly have understood it.“

Niels Bohr

I do not like it, and I am sorry I ever had anything to do with it.

Erwin Schrödinger, speaking of quantum mechanics

I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics.

Richard Feynman

Zentrale Unterschiede von klassicher und quantenmechanischer Sicht:

Klassische Theorien (Newtonsche Mechanik, Maxwell Elektrodynamik)

Quantenmechanik

•Deterministisch aus maximaler Beobachtung eindeutig auf Zukunft und Vergangenheit schliessen

•Indeterministisch nur Wahrscheinlichkeitsaussagen

•Teilchen: Orts&Impuls&Zeit Punkte

•Teilchen: Wellenfunktion

•Realität lokal d.h. räumlich entfernte Teilchen sind nur über

Kräfte verknüpft, Lichtgeschwindigkeit

•Realität nichtlokal auch weitentferne Teilchen sind verschränkt (Überlichtgeschwindigkeit) (kein New Age Holismus)

•Kontinuierlich: Energie und Drehimpuls kann jeden Wert annehmen

•Gequantelt: Energie und Drehimpuls habe nur diskrete Werte

Lord Ernest Rutherford (1927):

„Anyone who expects a source of power from tranformations of

atoms is taking moonshine“

1. Einführung1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien1.2. Atomphysik im Netz anderer Themenbereiche

Atomphysik

MolekülphysikChemieReaktionen

Mikrobiologie

MeßtechnikNaturkonstanten

Astrophysik

Plasmaphysik

2 466 061 413 187 103(46) Hz Genauigkeit 10-14!!!H (2s-1s)PRL 84 (2000) 5496 Niering et alhttp://www.mpq.mpg.de/~haensch/hydrogen/h.html -> Sind Naturkonstanten Konstant?Messung heute wiederholen …

Laserphysik

MeteologieAtmosphärenphysik

Absorbtion/EmissionsspektrenAtome Ionen

Absorbtion/EmissionsspektrenAtome Ionen

Medizinphysik (Röntgen)Medizinischmessgeräte Strahlentherapie/schaden

Tiefer:Reaktionen - Belebte Welt

gesteuert von Elektronen!

2 466 061 413 187 103(46) HzH 1s-2s

92 Atome bauen die Welt(Elektronen – Kerne) bestimmen die Dynamik

http://www.mpq.mpg.de/~haensch/hydrogen/h.html

1. Einführung1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien1.2. Atomphysik im Netz anderer Themenbereiche2. Historischer Rückblick 2.2.Atomismus seit den Griechen

= unteilbar

Leukip (ca 440vChr.) und Schüler Demokrit (469-370v.Chr.)

Platonische Körper

Problem: Atome kann (konnte) man nicht sehen, daher immer Interpretation!-> Wissen aus einem Netz von Beobachtungen und Modellen Beobachtungen sind nicht Modellunabhängig

Immanuel Kant:

"Gedanken ohne Inhalte sind leer, Anschauungen ohne Begriffe sind blind"

Empirie – Theorie„Beobachtung“ - Modell

Dalton 1803 Atomhypothese: 1808: „A New System of Chemical Philosophy“

„Das Wesen der chemischen Umwandlung besteht in der Vereinigung

und Trennung von Atomen“

•Chemisch Elemente bestehen aus kleinsten Teilchen, die man chemisch nicht weiter zerlegen kann

•Atome desselben Elementes sind in Qualität, Größe und Masse gleich

•Verbindungen zwischen „Molekülen“: ganzahliges Massenverhältnis der Atome.

Michael Faraday (1791-1867):

1833 Atomistik der Elektrizität

Elektrolyse: abgeschiedene Menge des Materials proportional zur Ladungsmenge

Michael Faraday (1791-1867):

1833 Atomistik der Elektrizität

Elektrolyse: abgeschiedene Menge des Materials proportional zur Ladungsmenge