Theoretische Physik 2 Atom- und Quantenphysik - Skriptweb

Die Quantenstruktur der Atome – das Bohrsche Atommodell Seite 18/47
Atomkerns. Um mit einer einheitlichen Konstanten rechnen zu können, definiert man Ry ∞
m K
= ∞ , d.h. µ = m e und rechnet Ry = Ry ∞ ⋅µ ⁄ m e .
Drehimpuls:
p = µ v = ħ⋅k ; k = 2 π⁄λ D ; 2 π r = n λ D ;
v = ( ħ n )⁄( µ r ) ; µ r v =|L|= ħ n ;
Man kann die Quantisierungsbedingung des Bohrschen Atommodells also auch schreiben: Der
Drehimpuls ist quantisiert, er kann nur in ganzzahligen Einheiten von ħ vorkommen.
Zusammenfassung: Unterschiede zwischen klassischer Physik und Quantenphysik
• Klassisch bewegt sich das Teilchen auf einer Bahnkurve, wo zu jeder Zeit Ort und
Geschwindigkeit exakt angegeben werden können, wenn man die Anfangsbedingungen und die
wirkenden Kräfte kennt. Selbst bei chaotischen Systemen ist das so; dort wirken sich aber nur
geringfügig veränderte Anfangsbedingungen so massiv aus (exponentiell statt linear), dass man
in der Praxis nichts berechnen kann, weil man die Anfangsbedingungen nicht genau genug
bestimmen kann.
• Die Quantenphysik sagt dagegen: Man kann prinzipiell die Anfangsbedingungen Ort und Impuls
nicht exakt angeben, die Ungenauigkeit wird durch die Heisenbergsche Unschärferelation
gegeben. Die Ortsunschärfe entpricht der de-Broglie-Wellenlänge.
An die Stelle der Bahnkurve tritt ein Bereich, für den man die Wahrscheinlichkeit berechnen
kann, dass sich das Teilchen dort befindet.
Dabei liefert das Absolutquadrat der Materiewellenfunktion des Teilchens seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit,
klassisch entspricht das der Intensität der Welle.
Man kann keine Messungen durchführen, ohne den Zustand des gemessenen Systems zu ändern.
Materiewellen und Wellenfunktionen
Man kann die Materiewelle analog zur Lichtwelle definieren:
ψ ( x , t ) = C ⋅e i (ω t k x ) = C ⋅e i ⁄ ħ (E kin t p x ) ,
wobei gilt: E = ħ ω und ⃗p = ħ ⃗k , k = 2 π ⁄ λ .
Die Wellenlänge des Teilchens (Materiewellenlänge bzw. de-Broglie-Wellenlänge) ist:
λ = 2 π ⁄ k = 2 π⋅ħ ⁄ p = h ⁄ p .
Die Phasengeschwindigkeit berechnet sich zu:
d
d t ( ω t k x ) = ω k x : = 0 ⇒ v Ph
= ω k .
Dabei gibt es einen entscheidenden Unterschied zu elektromagnetischen Wellen: bei ihnen ist
k = ω ⁄ c , also v Ph = c , während für Materiewellen gilt: E kin
= 1⁄ 2 m v 2 = 1⁄2 p 2 ⁄ m , p = ħ k ,
E = ħ ω ⇒
E kin
= ħ ω = 1 ħ 2 k 2
2 m , ω = 1 ħ k 2
2 m ⇒ v Ph
= ω k = 1 ħ k
2 m , d v Ph
d ω = 1 k .
Bei Materiewellen ist also, im Unterschied zu elektromagnetischen Wellen, die
Phasengeschwindigkeit nicht unabhängig vom Wellenvektor (der vom Impuls des Teilchens
abhängt) [???]:
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