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Entdeckung der Quantenmechanik
Quantenzauber im Mikrokosmos Der junge Max Planck (um 1880) Entdeckung der Quantenmechanik 14. Dezember 1900 E=hn
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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 = kg m/sec (Nobel-Preis 1918)
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Ahnengalerie der Quantenmechanik
Nobel-Preis 1921 Nobel-Preis 1923
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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:
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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)
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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
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Durchgang einer Hochfrequenz-Welle (THz)
Interferenz an einem Schlitz Durchgang einer Hochfrequenz-Welle (THz) durch einen Schlitz Photonen (Lichtwellen) haben Wellencharakter
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Interferenz von Lichtwellen (Photonen) am Doppelschlitz
Teilchen oder Welle? Interferenz von Lichtwellen (Photonen) am Doppelschlitz Photonen haben Wellen- und Teilcheneigenschaften
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Quanten-Interferenz und Kohärenz
|1+2 |2 = W12 W W = 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
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Materiewellen am Doppelschlitz
Interferenz von Teilchenstrahlen am Doppelschlitz Teilchen sind Wellen! Wellen sind Teilchen!
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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, m = 0,0024 nm l c(Proton):1, m l c(Schüler): m
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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
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Heisenbergs UnschÄrfe
Dx Dp h/2p |(x,t0)|2 |(p,t0)|2 x= x0 p= h/2x0 x=2x0 p= h/4x0 x=4 x0 p= h/8x0 Teilchenort Teilchenimpuls
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Quanten-Tunneleffekt: Quanten durchdringen Wände!
Freiheit für alle Quanten! Quanten-Tunneleffekt: Quanten durchdringen Wände!
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Quanten-Strukturen im Atom
Bohr Sommerfeld Heisenberg Schrödinger
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Elektron-Quanten-Wolken im Atom
Atome sind Quantensysteme: d(Atom) 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)
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Quantenmechanische Atomzustände
W(x,y,z,t)=|(x,y,z,t)|2 Animation
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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
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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
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Atomkerne sind Quantensysteme: Maßeinheit: 10-15m=1 Femtometer
Neutronen-Halos in Atomkernen Atomkerne sind Quantensysteme: d(Kern) lc(Proton) Maßeinheit: 10-15m=1 Femtometer Neutronen-Halo (Quantennebel) in einem Beryllium-Atomkern (Z=4, N=7, 11Be)
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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)
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Verkleinerung der Speicherbausteine Elektronen-Billard Quantengas
Auf dem Weg zum Quantencomputer Verkleinerung der Speicherbausteine 1975 bis ..... Elektronen-Billard Quantengas de Broglie: lB = h/mv
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Experimentelle Quantenpunkte
Quanten-Mechanik Experimentelle Quantenpunkte (Quantum Dots) Grösse: 20 nm = m =0, m Quantencomputer und Nano-Mechanik
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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
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