Der junge Max Planck(um 1880)

Quantenzauber im Mikrokosmos

Entdeckung der Quantenmechanik14. Dezember 1900

E=h

Die Entdeckung der Quanten

Strahlungsgesetz für Schwarze Körper(Messung: Pringsheim, Lummer - PTR 1899)

Max Planck‘s Lösung:

Abstrahlung in Energiepaketen:

E=hhc/

Wirkungsquantum h = 6.626 10-34 kg m/sec(Nobel-Preis 1918)

Ahnengalerie der Quantenmechanik

Nobel-Preis 1921

Nobel-Preis 1923

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„Elektronen bewegen sich auf Ellipsen um den Atomkern- wie die Erde um die Sonne -“

Beliebige Energiewerte und Ausdehnungen:

Atome in der Klassischen Physik

Beobachtet wird aber:

Stimmt das ??????

Niels Bohr und Alfred Sommerfeld: Wohlgeordnete Quanten-Sprünge

in Atomen

Bohr/Sommerfeld Atommodell:

•kreisförmige Elektronen-Bahnen•Ausdehnung n c n h•diskretes Linienspektrum (Energien)

Werner Heisenbergum 1930

Erwin Schrödingerum 1930

Unschärferelation:

x p - p x = ih/2

x p h/2

Nobel-Preis 1932

Wellenfunktion:

(x,t)

Nobel-Preis 1933

Junge Quanten-Genies:

für Quantenzustände

Durchgang einer Hochfrequenz-Welle (THz)durch einen Schlitz

Interferenz an einem Schlitz

Photonen (Lichtwellen) haben Wellencharakter

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Teilchen oder Welle?

Interferenz von Lichtwellen (Photonen) am Doppelschlitz

Photonen haben Wellen- undTeilcheneigenschaften

W1 + W2 = W12|1+2 |2 = W12

Quanten-Wellen-mechanik:

Interferenz am Doppelspalt

Phasen-Kohärenz

der Ereignisse

Photonen, Elektronen

Klassische Physik:

Streuung von Billard-kugeln am Doppelschlitz

inkohärente Summe der

Wahrscheinlichkeiten

Quanten-Interferenz und Kohärenz

Materiewellen am Doppelschlitz

Teilchen sind Wellen!Wellen sind Teilchen!

Interferenz von Teilchenstrahlen am Doppelschlitz

Quantentheorie und Wahrscheinlichkeit

Klassische Physik:

W(x,t)

2 Ereignisse:

W12=W1(x1,t1) + W2(x2,t2)

Addition der Wahrscheinlichkeiten

Quantenmechanik:

W(x,t) = |(x,t)|2

2 Ereignisse:

W12 =|1(x1,t1)+2(x2,t2)|2

Addition der Zustände Interferenz:

W12 = W1 + W2 + I12

Quantenmechanischer Dualismus:

Teilchen sind Wellen und Wellen sind Teilchen

E=mc2=h --- Materiewellen: c= c/= h/mc:c(Elektron): 2,4 10-12 m = 0,0024 nm

c(Proton):1,32 10-15 m

c(Schüler): 10-42 m

Irgendwo und Nirgendwo:UnscharfeUnscharfe Quanten - 2. Teil

Wellenfunktion

(x,t)=(p1,x,t)+(p2,x,t)+....

Wahrscheinlichkeit

W(x,t) = |(p1,x,t)+(p2,x,t)

+..|2

Heisenbergs UnschÄrfeUnschÄrfe

|(x,t0)|2

x= x0

x=2x0

x=4 x0

p= h/2x0

p= h/8x0

Teilchenort Teilchenimpuls

|(p,t0)|2

p= h/4x0

x p h/2

Freiheit für alle Quanten!

Quanten-Tunneleffekt:

Quanten durchdringen Wände!

Quanten-Strukturen im Atom

BohrSommerfeld

HeisenbergSchrödinger

Elektron-Quanten-Wolken im Atom

Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Wasserstoff-Atom (H)

W(x,y,z)=|(x,y,z)|2

(Max Born, ~1930)

Atome sind Quantensysteme:

d(Atom) 5...500 c(Elektron)

Maßeinheit: 10-

10m=1Ångstrom=1Å

Quantenmechanische Atomzustände

Animation

W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2

Wellenpaket im Atom

Das Elektron wurde auf eine kreisförmige Bahngesetzt, wie sie von der klassischen Physik

vorhergesagt würde.

Quanten-Ballett im Atom - 1. Akt

W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2

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Streuung eines Elektrons am Atomkern durch Anregung in einem elektrischen Feld.

Die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in einem Wasserstoff- (re) und einem Natriumatom (li) sind zu sehen:

W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2

Quanten-Ballett im Atom - 2. Akt

Neutronen-Halos in Atomkernen

Neutronen-Halo (Quantennebel) in einem Beryllium-Atomkern

(Z=4, N=7, 11Be)

Atomkerne sind Quantensysteme:

d(Kern) 1...10 c(Proton)

Maßeinheit: 10-15m=1 Femtometer

Elektron-Quanten-Energiebänder

in einem dotierten Halbleiter

(Gallium-dotiertes Si: eB ~ 0.06 eV)

Ohne Quantik keine Elektronik!

Elektron-Quanten-Energiebänder im Festkörper

(Si: Bandlücke eB ~ 0.7 eV)

Auf dem Weg zum Quantencomputer

Verkleinerung der Speicherbausteine1975 bis .....

Elektronen-Billard Quantengas

de Broglie: B = h/mv

Experimentelle Quantenpunkte(Quantum Dots)

Grösse:20 nm = 20 10-9 m=0,00000002 m

Quanten-Mechanik

Quantencomputerund

Nano-Mechanik

Quanten-Nano-Mechanik

Speichermedien der nächsten Generation:(Polymer-Folien)

1000-fache Kapazität eines CD-ROM mit

Tera-Byte = 1000 Giga-Byte

Quanten-Schreiben und -Lesen mit dem

Rastertunnelmikroskop(Atomic Force Microscope -

AFM)G. Binning, H. Rohrer, Nobel-

Preis 1986