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Einführung in die Struktur der Materie Atomphysik/Quantenphysik Reinhard Dörner Institut für Kernphysik [email protected] „Was die Welt im Innersten zusammenhält“ Dynamik und Struktur Moleküle, Atome, Kernematerie Arbeitsgruppen am Institut für Kernphysik Hochenergie Kernphysik Atom/Molekülphysik R. Stock H. Schmidt -Böcking H. Ströbele C. Blume R. Dörner Themen für Seminarvorträge: 10.11. Die Paulfalle 10.11. Die Penningfalle 1.12. Bohr-Einstein Debatte um die Quantenmechnik 15.12. Beugung von „Fußbällen“ ein modernes Doppelspalt Experiment 26.1. Der Maser 26.1. Ramsey Atomstrahlinterferenz 9.2. Zweiphotonenspektroskopie 1. Einführung 1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien Zentrale Unterschiede von klassicher und quantenmechanischer Sicht: Klassische Theorien Quantenmechanik (Newtonsche Mechanik, Maxwell Elektrodynamik) •Deterministisch aus maximaler Beobachtung eindeutig auf Zukunft und Vergangenheit schliessen •Indeterministisch nur Wahrscheinlichkeitsaussagen •Teilchen: Orts&Impuls&Zeit Punkte •Teilchen: Wellenfunktion •Realität lokal •Realität nichtlokal d.h. räumlich entfernte Teilchen sind nur über Kräfte verknüpft, Lichtgeschwindigkeit •Kontinuierlich: (stetig, differenzierbar) Energie und Drehimpuls kann jeden Wert annehmen auch weitentferne Teilchen sind verschränkt (Überlichtgeschwindigkeit) •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 Quantenmechanik (Newtonsche Mechanik, Maxwell Elektrodynamik) •Deterministisch aus maximaler Beobachtung eindeutig auf Zukunft und Vergangenheit schliessen •Indeterministisch nur Wahrscheinlichkeitsaussagen •Teilchen: Orts&Impuls&Zeit Punkte •Teilchen: Wellenfunktion •Realität lokal •Realität nichtlokal d.h. räumlich entfernte Teilchen sind nur über Kräfte verknüpft, Lichtgeschwindigkeit •Kontinuierlich: Energie und Drehimpuls kann jeden Wert annehmen auch weitentferne Teilchen sind verschränkt (Überlichtgeschwindigkeit) (kein New Age Holismus) •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. Einführung 1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien 1.2. Atomphysik im Netz anderer Themenbereiche 2 466 061 413 187 103(46) Hz Genauigkeit 10-14!!! H (2s-1s) PRL 84 (2000) 5496 Niering et al http://www.mpq.mpg.de/~haensch/hydrogen/h.html -> Sind Naturkonstanten Konstant? Messung heute wiederholen … Absorbtion/Emissionsspektren Atome Ionen 2 466 061 413 187 103(46) Hz H 1s-2s Meßtechnik Naturkonstanten Laserphysik Absorbtion/Emissionsspektren Atome Ionen Meteologie Atmosphärenphysik Astrophysik Plasmaphysik Atomphysik Chemie Reaktionen Molekülphysik Medizinphysik (Röntgen) Medizinischmessgeräte Strahlentherapie/schaden Mikrobiologie Tiefer: Reaktionen - Belebte Welt 92 Atome bauen die Welt (Elektronen – Kerne) bestimmen die Dynamik gesteuert von Elektronen! http://www.mpq.mpg.de/~haensch/hydrogen/h.html 1. Einführung 1.1. Vergleich Quantenmechanik – klassische Theorien 1.2. Atomphysik im Netz anderer Themenbereiche 2. 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
