Entdeckung der Quantenmechanik Quantenzauber im Mikrokosmos Der junge Max Planck (um 1880) Entdeckung der Quantenmechanik 14. Dezember 1900 E=hn

E=hn=hc/l Die Entdeckung der Quanten Strahlungsgesetz für Schwarze Körper (Messung: Pringsheim, Lummer - PTR 1899) Max Planck‘s Lösung: Abstrahlung in Energiepaketen: E=hn=hc/l Wirkungsquantum h = 6.626 10-34 kg m/sec (Nobel-Preis 1918)

Ahnengalerie der Quantenmechanik Nobel-Preis 1921 Nobel-Preis 1923

Atome in der Klassischen Physik „Elektronen bewegen sich auf Ellipsen um den Atomkern - wie die Erde um die Sonne -“ Stimmt das ?????? Beliebige Energiewerte und Ausdehnungen: Beobachtet wird aber:

Niels Bohr und Alfred Sommerfeld: Wohlgeordnete Quanten-Sprünge in Atomen Bohr/Sommerfeld Atommodell: kreisförmige Elektronen-Bahnen Ausdehnung  n l c  n h diskretes Linienspektrum (Energien)

Junge Quanten-Genies: Werner Heisenberg um 1930 Erwin Schrödinger um 1930 Unschärferelation: x p - p x = ih/2p Dx Dp  h/2p Nobel-Preis 1932 Wellenfunktion: (x,t) Nobel-Preis 1933 für Quantenzustände

Durchgang einer Hochfrequenz-Welle (THz) Interferenz an einem Schlitz Durchgang einer Hochfrequenz-Welle (THz) durch einen Schlitz Photonen (Lichtwellen) haben Wellencharakter

Interferenz von Lichtwellen (Photonen) am Doppelschlitz Teilchen oder Welle? Interferenz von Lichtwellen (Photonen) am Doppelschlitz Photonen haben Wellen- und Teilcheneigenschaften

Quanten-Interferenz und Kohärenz |1+2 |2 = W12 W1 + W2 = 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

Materiewellen am Doppelschlitz Interferenz von Teilchenstrahlen am Doppelschlitz Teilchen sind Wellen! Wellen sind Teilchen!

Addition der Zustände Interferenz: 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=hn --- Materiewellen: l c= c/n = h/mc: l c(Elektron): 2,4 10-12 m = 0,0024 nm l c(Proton):1,32 10-15 m l c(Schüler): 10-42 m

Irgendwo und Nirgendwo: Unscharfe Quanten - 2. Teil Wellenfunktion (x,t)= (p1,x,t)+(p2,x,t)+.... Wahrscheinlichkeit W(x,t) = |(p1,x,t)+(p2,x,t)+..|2

Heisenbergs UnschÄrfe Dx Dp  h/2p |(x,t0)|2 |(p,t0)|2 x= x0 p= h/2x0 x=2x0 p= h/4x0 x=4 x0 p= h/8x0 Teilchenort Teilchenimpuls

Quanten-Tunneleffekt: Quanten durchdringen Wände! Freiheit für alle Quanten! Quanten-Tunneleffekt: Quanten durchdringen Wände!

Quanten-Strukturen im Atom Bohr Sommerfeld Heisenberg Schrödinger

Elektron-Quanten-Wolken im Atom Atome sind Quantensysteme: d(Atom)  5...500 lc(Elektron) Maßeinheit: 10-10m=1Ångstrom=1Å Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Wasserstoff-Atom (H) W(x,y,z)=|(x,y,z)|2 (Max Born, ~1930)

Quantenmechanische Atomzustände W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2 Animation

Quanten-Ballett im Atom - 1. Akt Das Elektron wurde auf eine kreisförmige Bahn gesetzt, wie sie von der klassischen Physik vorhergesagt würde. W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2

Quanten-Ballett im Atom - 2. Akt 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

Atomkerne sind Quantensysteme: Maßeinheit: 10-15m=1 Femtometer Neutronen-Halos in Atomkernen Atomkerne sind Quantensysteme: d(Kern)  1...10 lc(Proton) Maßeinheit: 10-15m=1 Femtometer Neutronen-Halo (Quantennebel) in einem Beryllium-Atomkern (Z=4, N=7, 11Be)

Ohne Quantik keine Elektronik! Elektron-Quanten-Energiebänder im Festkörper (Si: Bandlücke eB ~ 0.7 eV) Elektron-Quanten-Energiebänder in einem dotierten Halbleiter (Gallium-dotiertes Si: eB ~ 0.06 eV)

Verkleinerung der Speicherbausteine Elektronen-Billard  Quantengas Auf dem Weg zum Quantencomputer Verkleinerung der Speicherbausteine 1975 bis ..... Elektronen-Billard  Quantengas de Broglie: lB = h/mv

Experimentelle Quantenpunkte Quanten-Mechanik Experimentelle Quantenpunkte (Quantum Dots) Grösse: 20 nm = 20 10-9 m =0,00000002 m Quantencomputer und 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