Quantenmechanik – Lexikoneinträge
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Die Atomphysik beschäftigt sich mit den physikalischen Vorgängen in und mit Atomen , Ionen und Molekülen . Im weiteren Sinn steht „Atomphysik“ auch für die Physik aller mikrophysikalischen Erscheinungen. Der wichtigste experimentelle Zugang zur Atomphysik ist die Untersuchung der Energieniveaus der Atomhülle mithilfe von Spektrallinien . Aus diesem Grund hat die Atomphysik viele Überschneidungen mit der Laserphysik , außerdem auch mit der Festkörperphysik . – Die Physik der Atomkerne ist die Kernphysik .
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Die Austrittsarbeit eines Metalls oder eines anderen Materials ist die Energie , die aufgebracht werden muss, um ein Elektron aus dem Innern eines Stoffes (insbesondere ein Leitungselektron aus einem Metall) durch die Oberfläche nach außen zu bringen. Typische Werte für die Austrittsarbeit sind z. B. 1,8 eV für Caesium und 4,5 eV für Wolfram (eV steht für Elektronenvolt ) . Die nötige Energie kann auf verschiedene Weise geliefert werden, etwa durch Licht ( Fotoeffekt ), durch Wärme ( glühelektrischer Effekt ) oder durch Stoßionisation .
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Das Bändermodell ist ein physikalisches Modell für die Energiezustände der Elektronen in einem Festkörper . Das Zusammenwirken vieler Atome führt hier dazu, dass keine scharfen Energiezustände wie bei einzelnen Atomen , sondern breite Energiebereiche – sog. Bänder – auftreten, in denen sich die Elektronenzustände befinden können. Das oberste, energiereichste noch vollständig mit Elektronen besetzte Band heißt Valenzband (analog zum Valenzelektron in der Chemie), das nächsthöhere leere oder nur teilweise mit Elektronen besetzte Band ist das Leitungsband . Beide sind durch eine Energielücke...
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Jedes Teilchen mit nicht verschwindender Ruhemasse (allgemein jeder bewegten Masse) besitzt Welleneigenschaften, man spricht dabei von De-Broglie-Wellen (nach Louis de Broglie ) bzw. Materiewellen . Diese Wellen wurden zunächst 1924 von de Broglie in seiner Doktorarbeit theoretisch hergeleitet, indem er die vom Photon bereits bekannten Beziehungen \(E = h \cdot f\) und p = E / c ( E : Energie, h : Planck’sches Wirkungsquantum , f : Frequenz, c : Lichtgeschwindigkeit ) formal auf eine mit der Geschwindigkeit \(v\) bewegte Masse m mit dem Impuls \(p = m \cdot v = \sqrt{2mE}\) übertrug. Durch...
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Der Franck-Hertz-Versuch (nach James Franck und Gustav Hertz , dem Neffen von Heinrich Hertz ) war ein Schlüsselexperiment auf dem Weg zur Quantenphysik . Er wies erstmals die diskreten Energieniveaus in der Atomhülle nach. Der Aufbau besteht aus einer Triode , also einer Elektronenröhre , die außer der Auffanganode A und einer beheizbaren Glühkathode K noch eine Beschleunigungselektrode B besitzt, die als Gitter ausgeführt ist (Abb.). Die Röhre ist mit Quecksilberdampf gefüllt. Zwischen K und B liegt eine Beschleunigungsspannung U B an, zwischen B und A eine kleine Gegenspannung \(U_\text g...
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Der Durchgang von elektrischem Strom durch ein Gas, meist mit einer Leuchterscheinung verbunden. Da Gase normalerweise aus elektrisch neutralen Molekülen bestehen, ist eine Gasentladung nur dann möglich, wenn die nötigen Ladungsträger erzeugt werden. Je nachdem, ob sie mit oder ohne eine äußere Einwirkung entstehen, spricht man von selbstständigen und unselbstständigen Gasentladungen; sie unterscheiden sich durch den Zusammenhang von Stromstärke und angelegter Spannung ( Strom-Spannungs-Kennlinie ): Eine unselbstständige Gasentladung liegt vor, wenn Ladungsträger von außen in das Gas...
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(Pauli-Verbot): Nach Wolfgang Pauli (* 1900, † 1958) benanntes, grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik. Es besagt, dass in einem Atom niemals zwei Elektronen im selben Energiezustand sein können; sie müssen sich wenigstens in einer der vier Quantenzahlen unterscheiden. Das Pauli-Prinzip ist ein Spezialfall eines Naturgesetzes, das für alle Fermionen ( Elementarteilchen mit halbzahligem Spin) in einem Quantensystem gilt und das verbietet, dass zwei Fermionen in ihren Quantenzahlen übereinstimmen.
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Das Planck’sche Wirkungsquantum (nach Max Planck , auch: Planck-Konstante ) h ist eine fundamentale Naturkonstante , die in den Gesetzen der Atom -, Kern - und Elementarteilchenphysik auftritt. Sie ist u. a. der Proportionalitätsfaktor zwischen der Energie E eines Photons und der Frequenz f der ihm entsprechenden elektromagnetischen Strahlung : \(E = h \cdot f\) . Das Planck’sche Wirkungsquantum hat den Wert: \(h = 6,626 \cdot 10^{-34}\,\text{Js}\) und damit die Dimension einer Wirkung (also Energie mal Zeit). Gleichzeitig ist dies auch die Dimension eines Drehimpulses, tatsächlich ist der...
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Quantenzahlen sind ganze Zahlen (selten Bruchzahlen ), die den Zustand eines quantenphysikalischen Systems charakterisieren. Die viele Größen auf der Quantenskala ein festen Minimalwert haben (z. B. die Elementarladung oder die Energie des Grundzustands ), genügt es im Prinzip zu sagen, wie viele Elementarladungen oder ein Wievielfaches der Grundzustandsenergie ein Quantenobjekt trägt. Für die Beschreibung von Zuständen in Atomen ist die Hauptquantenzahl n die wichtigste Quantenzahl. Sie gibt die Energie eines gebundenen Elektronenzustands an; im Schalenmodell bezeichnet sie die Nummer der...
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Das Rastertunnelmikroskop ist ein spezielles, nicht optisches Mikroskop , das auf dem Tunneleffekt beruht und atomare Details von Oberflächen abbildet. Der Aufbau besteht in einer äußerst feinen Metallspitze, die im Abstand von etwa 1 nm über die abzubildende Oberfläche geführt wird . Legt man zwischen Spitze und Oberfläche eine elektrische Spannung an, „tunneln“ Elektronen durch den energetisch verbotenen winzigen Spalt zwischen Spitze und Oberfläche und es fließt ein sog. Tunnelstrom . Die Stromstärke des Tunnelstroms hängt sehr empfindlich vom Abstand der Spitze von der Oberfläche ab. Es...
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Der Rutherford’sche Streuversuch (nach Ernest Rutherford ) war eines der Schlüsselexperimente auf dem Weg zum heutigen Atommodell . Im Experiment werden radioaktive Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie geschossen. Entgegen der Vorstellung, dass Atome unzerteilbare, dicht an dicht liegende Kugeln sind, durchdringen die meisten Teilchen die Folie ohne Ablenkung, einige wenige werden aber zum Teil stark abgelenkt. Dies erklärt sich dadurch, dass fast die ganze Masse des Atoms in einem sehr kleinen, elektrisch positiv geladenen Kern konzentriert ist, während die negative Ladung des Atoms über...
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Die Schrödinger-Gleichung (nach Erwin Schrödinger ) ist die grundlegende Differenzialgleichung der (nicht relativistischen) Quantenmechanik , die an die Stelle der Bewegungsgleichung der Mechanik tritt. Sie ist eine Gleichung für die zunächst unbekannte Wellenfunktion \(\Psi(x,\, t)\) eines Quantenobjekts, d. h. sie stellt Forderungen an Wellenfunktionen. Die Lösungen der Gleichung sind die physikalisch möglichen Wellenfunktionen, etwa im Wasserstoffatom die die erlaubten Elektronenorbitale. Im einfachen Fall, dass die Bewegung eines Teilchens auf eine Dimension beschränkt ist und die äußeren...