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Lexikon Physik

Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist die mathematisch-physikalische Theorie des Verhaltens und der beobachtbaren Eigenschaften mikrophysikalischer Systeme wie z. B. Atome. Im weiteren Sinne meint man damit auch die Gesamtheit aller quantenphysikalischen Theorien (s. u.)., im engeren Sinne ist sie die quantisierte Version der klassischen Mechanik, also der Lehre der Bewegung von Körpern unter dem Einfluss von Kräften.

Grundlage aller Quantentheorien ist die Beobachtung, dass verschiedene Größen wie Energie, Drehimpuls oder elektrische Ladung keine beliebig kleinen Werte annehmen können, sondern immer nur in Vielfachen von Quanten genannten Minimalwerten auftreten, wie dem Drehimpulsquantum \(\hbar/2\) oder der Elementarladung. Historisch stand die Quantenhypothese von Max Planck am Anfang der Entwicklung, nach der elektromagnetische Strahlung nur in festen Quanten (Photonen) abgegeben oder aufgenommen werden kann. Gleichzeitig besitzen alle Quantenteilchen auch Welleneigenschaften, man spricht auch vom Welle-Teilchen-Dualismus.

Auch wenn die Diskussion um die korrekte Interpretation der Quantenmechanik immer noch nicht abgeschlossen ist, gibt die sog. Kopenhagener Deutung ein gutes Arbeitsverständnis für alle, die nicht in erster Linie an naturphilosophischem Hochleistungssport interessiert sind: Quantenteilchen wie -felder werden durch eine Wellenfunktion beschrieben, aus denen sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Quantenobjekts berechnen lässt. Wie diese Wellenfunktion im konkreten Einzelfall aussieht, beschreibt eine Differenzialgleichung, die man Schrödinger-Gleichung nennt. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Messprozess: Bis eine Größe gemessen wird, lässt sich für ihren Wert nur eine Wahrscheinlichkeit angeben – im Moment der Messung dagegen „kollabiert“ die Wahrscheinlichkeitswelle und die Größe hat den gemessenen Wert.

Der Wellenaspekt der Quantenobjekte hat zwei wichtige Konsequenzen: Man kann Ort und Wellenlängenverteilung eines Wellenpakets nie gleichzeitig exakt bestimmen (Heisenberg’sche Unschärferelation) und stabile Zustände für Elektronen in der Atomhülle entsprechen (dreidimensionalen) stehenden Wellenmustern im Bereich um den Atomkern – den Orbitalwolken.

Nach der in den 1920er Jahren entwickelten ersten Version der Quantenmechanik, die u. a. nicht die Erkenntnisse der Speziellen Relativitätstheorie berücksichtigte, wurden später die Quantenfeldtheorien ausgearbeitet. Diese berücksichtigen das „Tempolimit“ Lichtgeschwindigkeit, vereinheitlichen die Beschreibung von Materie und Feldkräften und sagen die Existenz von Antimaterie voraus. Die Quantenelektrodynamik (QED) beschreibt z. B. die Wechselwirkungen von elektrisch geladenen Quantenobjekten und elemtromagnetischen Strahlungsquanten, also Photonen, die Quantenchromodynamik (QCD) gibt die Anziehungskräfte zwischen den Farbladungen der Quarks und den aus ihnen aufgebauten Teilchen an.

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