Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Kapitel 1Einführung in die QuantenphysikZu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es mehrere experimentelle Ergebnisse, die nicht mehr im Rahmender “klassischen Physik” erklärt werden konnten und Anlass zur Entwicklung der Quantenphysikgaben. Die wichtigsten Beispiele dafür, nämlich die Diskrepanz zwischen theoretisch vorhergesagterund experimentell gemessener Spektralverteilung der Hohlraumstrahlung, der photoelektrische Effekt,der Compton-Effekt oder der Franck-Hertz-Versuch wurden bereits im Rahmen von Physik III vorgestellt.Es zeigte sich, dass sowohl das Teilchenbild der klassischen Mechanik, das für jedes Teilchen beibekannten Anfangsbedingungen eine wohldefinierte Bahn vorhersagt, als auch das Wellenbild, das fürelektromagnetische Wellen durch die Maxwell-Gleichungen vollständig beschrieben wird, einer kritischenRevision bedarf, wenn man in den Bereich mikroskopischer Teilchen vordringt. In diesem Kapitelwiederholen wir zunächst die bereits im Rahmen der Physik III eingeführten grundlegenden Konzepteder Quantenphysik und fassen die wichtigsten Eigenschaften von Quantenteilchen zusammen. DieserAbschnitt dient also zu einer Vertiefung der Grundlagen zur Quantenphysik.Wir haben bei der Diskussion von Quantenphänomenen in Physik III bereits gesehen, dass klassischeTeilchen wie z.B. das Elektron Welleneigenschaften besitzen. Umgekehrt zeigen klassische Wellen wiez.B. Lichtwellen auch Teilcheneigenschaften. Wir haben diese Lichtteilchen als Photonen bezeichnet.Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im Rahmen des Vorlesungskurses Physik I bis IV dieEigenschaften klassischer Teilchen und Wellen im Rahmen von Physik I und II behandelt wurden. Eineausführliche Darstellung der Welleneigenschaften des Lichts und eine Einführung in die Quantenphysikerfolgte dann im Rahmen der Physik III.In diesem Kapitel wird anschließend an die Diskussion des Welle-Teilchen Dualismus und die Diskussionvon Materiewellen eine Einführung in die Grundlagen der Quantenmechanik gegeben, die für dieDiskussion des weiteren Stoffes von Physik IV essentiell sind. Dabei werden einige Sachverhalte, diebereits im Rahmen von Physik III diskutiert wurden, wiederholt und vertieft. Aufbauend auf den experimentellenFakten sollen in diesem Abschnitt die Grundzüge der Quantenmechanik nur in dem Umfangskizziert werden, wie es für das Verständnis der diskutierten Beobachtungen erforderlich ist. Dementsprechendist die Darstellung in Breite und Tiefe angelegt. Sie soll lediglich an die quantenmechanischenGedankengänge gewöhnen, nicht jedoch eine strenge Theorie ersetzen. Dies wird im Rahmen dertheoretischen Quantenmechanik getan. 11 siehe z.B.F. Schwabl: Quantenmechanik, Springer Verlag Berlin (1993)oderH. Haken, H. C. Wolf: Atom- und Quantenphysik, Springer Verlag Berlin (1996).3