Was sind Quanten?

Welle? Teilchen? Quanten!!

Quanten zeigen oft ein Verhalten, das wir aus dem Alltag nicht kennen. Wir unterscheiden hier drei übliche Modelle – also vereinfachte Vorstellungen – die es uns erleichtern, über die Natur zu sprechen.

Teilchenmodell

Teilchen

Teilchen werden oft als bunte Kugeln dargestellt. Damit wird visualisiert, dass man sich im Teilchenmodell kleine, manchmal punktförmige Objekte mit klar definierten Grenzen vorstellt.

Ihre Unterscheidbarkeit wird im Bild durch unterschiedliche Farben dargestellt. Eine Teilcheneigenschaft ist auch, dass man sie zählen kann, d.h. dass sie quantisiert vorkommen.

Klassische Teilchen lassen sich lokalisieren. Sie sind zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort und sicher nicht woanders. Sie haben einen wohl definierten Impuls. Im Modell der Newtonschen Mechanik kann man sichere Vorhersagen treffen, wo ein Teilchen zu einem späteren Zeitpunkt sein wird.

Wellenmodell

Welle

Wellen dagegen sind über weite Bereiche ausgedehnte Phänomene, die sich in Raum und Zeit periodisch ausbreiten.

Klassische Wellen beschreiben die Dynamik kontinuierlicher Medien. In einem vereinfachten Wellenmodell ließe sich die Intensität daher kontinuierlich verändern.

In der Praxis lassen sich auch klassische Wellen aus sehr vielen Einzelteilchen zusammensetzen: z.B. Wasserwellen aus sehr vielen Wassermolekülen. In ein und derselben klassischen Welle können verschiedene Teilchen an verschiedenen Orten mit verschiedenen Impulsen vorkommen. Es ist das kollektive Wirken vieler Teilchen, das die Welleneigenschaften hervorruft. So können sich verschiedene Wellenzüge überlagern. Treffen zum Beispiel zwei Wellenberge aufeinander, bildet sich ein doppelt so hoher Wellenberg (konstruktive Interferenz). Ein Wellenberg und ein Wellental können sich gegenseitig auslöschen (destruktive Interferenz).

Quantenmodell

Zu den Besonderheiten der Quantenphysik gehört, dass wir unbeobachteten Quanten weder eine genaue Position noch eine genaue Bewegungsrichtung zuordnen können.

Die Wahrscheinlichkeit, ein Quantum am Ort \(x\) mit Impuls \(p\) zu finden, ist mathematisch durch das Betragsquadrat der quantenmechanischen Wellenfunktion \( |\psi(x,p)|^2 \) gegeben. Diese Wahrscheinlichkeit kann zur selben Zeit an mehreren, auch weit getrennten Orten, einen von Null verschiedenen Wert annehmen. Wir sagen dann, dass dieses Objekt delokalisiert ist. Man kann ihm keine exakt definierte Position zuschreiben.

Jeder Versuch, die Position eines Quants zu bestimmen, führt immer dazu, dass man ein einzelnes, ganzes Objekt detektiert. Auch Eigenschaften wie Masse, Energie, Ladung oder Polarisierbarkeit sind immer in einem Objekt vereint, wenn man es misst.

Modell: Detektoren:

Ungestört entwickeln und verbreiten sich quantenmechanische Körper wie ausgedehnte Wellen – gemäß der Schrödinger-Wellengleichung. Sie wechselwirken aber mit der Umgebung als wären sie ganze Teilchen.

Im Labor kannst du einen Molekülstrahl erzeugen und beobachten, wie einzelne Moleküle am Detektor auftreffen. Mit welchem der drei Modelle kannst du diesen Vorgang beschreiben?

Experimentieraufgabe: Erste Messung von Molekülen

Gehe ins Labor und folge den Anweisungen. Wenn du fertig bist, setze hier fort.

 

Modelle

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