Quantenphysik mit Licht

Einführung in die Quantenphysik mit Licht
R. Erb
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Quantenphysik: Problemstellung
„Um die Jahrhundertwende und in den ersten
Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zeigten
überraschenderweise viele (...) Entdeckungen,
dass die Gesetze der klassischen Physik auch bei
der Anwendung auf mikroskopische Systeme ihre
Gültigkeit verlieren. Diese Feststellung hatte (...)
dramatische Konsequenzen (...): Mikroskopische
Systeme wie beispielsweise Atome und
Atomkerne lassen sich erst durch eine neue
Theorie richtig beschreiben, die als
Quantentheorie oder auch als Quantenmechanik
bezeichnet wird. Ihr Einfluss auf die weitere
Entwicklung unseres Naturverständnisses (...)
kann gar nicht als hoch genug eingeschätzt
werden.“
Paul A. Tipler. Physik. Heidelberg; Berlin; Oxford:
Spektrum, 1998.
http://www.pci.uzh.ch/pfister/orbitale/
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6.
Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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Übergang oder Wechsel?
Wie soll der Übergang von der
klassischen Physik zur Quantenphysik
im Unterricht erfolgen?
Verdeutlichen, dass
Quantenobjekte
Eigenschaften haben,
Behutsame Weiterentwicklung
die es auch in der
ermöglichen
klassischen Physik gibt;
z. B. Interferenz zeigen.
Tiefe des Wechsels betonen
Verdeutlichen, dass
Quantenobjekte
Eigenschaften haben,
die es in der klassischen
Physik nicht gibt; z. B.
Quantisierung
bestimmter Größen.
https://www.gummibaerenland.de
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Übergang oder Wechsel?
An welchem Beispiel soll das Neue der Quantenphysik aufgezeigt werden?
Elektronen
Aus dem Physikunterricht
zuvor schon als
Ladungsträger („Teilchen“)
bekannt (Millikan 1909).
Licht (Photonen)
Aus dem Physikunterricht
zuvor schon als
(elektromagnetische) Welle
bekannt.
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Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik (MILQ)
Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos, 2003.
Josef Küblbeck: Wesenszüge
Küblbeck, Josef (2004). Was ist wesentlich an der Quantenphysik? In: Praxis der
Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 53/1, 2-4.
Berliner Konzeption Helmut Fischler. Quantenphysik in der Schule, 1992.
Weitgehend voraussetzungsfreie Modellbildung: Zeigerformalismus
Erb, Roger (1994). Optik mit Lichtwegen. Magdeburg: westarp
Erb, R- Schön, L. (1997). Ein Blick in den Spiegel - Einblick in die Optik. In: Fischer, H.
E. (Hg.). Handlungs- und kommunikationsorientierter Unterricht in der Sek.II. Ferd.
Dümmlers Verlag, 30-54.
Bader, Franz (1996). Eine Quantenwelt ohne Dualismus. Hannover: Schroedel
Werner, Johannes (2000). Vom Licht zum Atom: ein Unterrichtskonzept zur
Quantenphysik unter Nutzung des Zeigermodells. Berlin: Logos.
Erb, Roger. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. In: Praxis der
Naturwissenschaften – Physik in der Schule. vorauss. 4 2012.
 www.physikdidaktik.uni-frankfurt.de > Material
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Grundproblem
„Schülerinnen und Schüler lernen die Sätze, die zur
Quantenphysik gehören, aber rekonstruieren nicht
das Konzept.“
Michael Lichtfeldt. Schülervorstellungen in der
Quantenphysik und ihre möglichen Veränderungen
durch Unterricht. 1992
Die Quantenphysik erscheint Schülerinnen und
Schülern nicht zwingend notwendig:
– Die Interferenzfähigkeit von Elektronen
verblasst vor dem Bild eines klassischen
Teilchens.
– Die Interferenzfähigkeit von Licht kann mit
klassischen Wellen erklärt werden.
– Die Quantisierung der Lichtenergie
erschließt sich nur umständlich (Photoeffekt,
Single-Photon-Counting).
Heute: Neue Medien,
neue Experimente?
Bewusster Wechsel
Die Gefahr, das Elektron
als klassisches Teilchen
anzusehen, wiegt
schwerer.
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Licht  Quantenphysik
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Modelle vom Licht
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Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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Geometrische Optik: Experimente
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Optische Abbildung
f
f
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Hohlspiegel
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Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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Daumenspalt
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Wellenoptik
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5.
6.
Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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Hinführung zum Photoeffekt: Experimente
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Fotopapier
20
Photopapier
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Aufgaben
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3.
4.
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6.
Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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Zeigerformalismus
Für die Berechnung der Lichtintensität
an einem Empfängerpunkt sind alle
denkbaren Lichtwege zwischen einer
Quelle und einem Empfänger zu
berücksichtigen.
Die Intensität, die sich dadurch ergibt,
entspricht der Wahrscheinlichkeit,
Photonen zu detektieren.
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Zeigerformalismus
1.
Für alle Lichtwege werden Zeiger
mit gleicher Länge gezeichnet.
2.
Ein Zeiger wird entsprechend der
Länge des jeweiligen Lichtwegs im
Uhrzeigersinn gedreht. Er erfährt
genau eine Umdrehung, wenn das
Licht einen Weg seiner
Wellenlänge  zurückgelegt hat.
3.
Schließlich werden alle Zeiger wie
Vektoren addiert. Das Quadrat der
resultierenden Zeigerlänge gibt die
Wahrscheinlichkeit an, im
Empfänger ein Photon zu erhalten.
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Dreifachspalt
Erb R. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. PdN-Physik in der Schule 61, Heft 4, 18-24
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Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt
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Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt
Lichtquelle
Spaltblende
Schirm
24 Zeiger
x
y
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Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt
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Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt
Poisson
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Fresnel‘sche Beugung
Spaltbreite 3,2 mm
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Fresnel‘sche Beugung
Spaltbreite 0,8 mm
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Fresnel‘sche Beugung
Spaltbreite 1,2 mm
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Poisson‘scher Fleck
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Poisson‘scher Fleck
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Poisson-Fleck
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Poisson‘scher Fleck
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Überblicksseiten
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Problemstellung
Klassische Optik
Wellenoptik
Lichtquanten
Zeigerformalismus
Quantenphysik: Strukturelemente
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–
–
–
–
Quantisierung: Energie kommt nicht in beliebig kleinen Mengen vor, sondern in
kleinsten Portionen (genauer: wird bei der Wechselwirkung von Licht und
Materie in kleinsten Portionen übertragen). Auch Größen wie Impuls und Ladung
sind quantisiert.
Wahrscheinlichkeiten: Für das Auftreffen eines Quantenobjekts an einer
bestimmten Stelle in einem bestimmten Zeitintervall kann nur eine
Wahrscheinlichkeit angegeben werden.
Fundamentalprinzip: Quanten zeigen Interferenz, wenn sie auf mehreren Wegen
zum Empfänger gelangen können und keine Information darüber möglich ist,
welchen Weg sie genommen haben.
Verschränkung: Ein System aus zwei Quantenobjekten kann verschränkt sein.
Die Messung eines Zustands von einem der beiden Quantenobjekte gibt dann
Auskunft über den Zustand des zweiten, auch wenn sich die beiden Objekte weit
voneinander entfernt haben.
Abbildungen und Software zur Berechnung der Beugungsfiguren aus: Physik –
Oberstufe; Cornelsen-Verlag, 2008.
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Fundamentalprinzip: Ein Photon interferiert nur mit sich selbst
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Photoeffekt - Verschränkung
Photoeffekt
- experimentell leistbar
- Interpretation schwierig
 Wechsel erwünscht - Übergang möglich
Verschränkung
- experimentell kaum leistbar
- Interpretation aufwendig, aber im Grundsatz einfach
 Wechsel notwendig
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Zusammenfassung
– zwei verschränkte Photonen bleiben „eins“, auch bei sehr großem Abstand
– aufwendige Berechnung, aber elementar nachvollziehbar
 mathematische „Knobelei“
Erwin Schrödinger: „Verschränkung ist das wesentliche Element der
Quantenphysik.“
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Vertiefung 1
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Zwei Photonen sind „eins“
Z
Z
12 in Grad
Z1
Photon 1
Photon 2
Z2
Z12
12 in Grad
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Ist Verschränkung zwingend notwendig?
 Wie aber wäre das mit unverschränkten Photonen?
 Das lässt sich berechnen, indem man andere Annahmen macht, z. B. Paare von
gleichartig polarisierten Photonen.
 Die Berechnung des Ergebnisses ist einfach - aber aufwendig.
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Strukturelemente
Erwin Schrödinger: „Verschränkung ist das wesentliche Element der Quantenphysik.“
Zeilinger, A. (2007). Einsteins Spuk. München: Goldmann.
Scarani, V. (2007). Physik in Quanten. München: Elsevier.
Erb, Roger. Simulation verschränkter Photonen. PhyDid 2/8 (2009), 58-64.
Erb, Roger. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik
in der Schule. vorauss. 4 2012.
Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos, 2003.
Buchabbildungen: Cornelsen Physik – Oberstufe. (2008). Berlin: Cornelsen.
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Vertiefung 2
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