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Was ist die Quantenphysik? - Einführung in die Quantenphysik


 

Allgemeines:
Oft fallen Begriffe wie Quantenphysik, Quantenmechanik und Quantenchemie. In dieser Einführung geht es darum, ein wenig Klarheit über die Begriffe zu schaffen, auch wenn die Übergänge zwischen diesen Fachgebieten fließend ist. Als Einführung sei gesagt, dass Quantenphysik, Quantenmechanik und Quantenchemie sich mit der Wechselwirkung, Dynamik und Phänomenen von sog. Quantenteilchen beschäftigen. Wichtige Erkenntnisse aus der Quantenphysik sind:

  • Welle-Teilchen-Dualismus
  • Heisenbergsche Unschärferalation
  • Raum-Zeit-Diagramme


Die Quantenphysik - Abgrenzung zu anderen Teilgebieten
Zuerst einmal sollte man die Begriffe "Quantenchemie" und "Quantenphysik" voneinander abgrenzen. Liest man in einem Lexikon nach, so steht da sinngemäß, dass die Quantenchemie ein Teilgebiet der theoretischen Chemie ist, in dem die Regeln der Quantenphysik auf chemische Fragestellungen angewandt wird. Die Quantenchemie versucht über die Erkenntnisse der Quantenphysik (also z.B. inter- und intramolekulare Wechselwirkungen der Atome) eigene Schlüsse für die Chemie zu ziehen, hauptsächlich über die Reaktionsfähigkeit, schließlich verurachen die inter- bzw. intramolekularen Kräfte das Reaktionsverhalten und den gesamten Vorgang der Reaktion (z.B. warum reagieren Edelgas kaum, während Halogene sehr reaktiv sind). Die Quantenchemie ist somit eigentlich kein Teilbereich der Quantenphysik, die Übergänge sind aber fließend. 

Als nächstes kann man die Begriffe "Quantenphysik" und "Quantenmechanik" voneinander abgrenzen. Zuerst einmal kann man sagen, dass beide Gebiete eines gemeinsam haben, sie gehören zum Fach Physik, dies kann man noch genauer präzisieren, denn sowohl die Quantenmechanik als auch die Quantenphysik sind Teilgebiete der Atomphysik (auch, wenn oft Quantenmechanik und Atomphysik gleichgesetzt wird).

Somit lässt sich sagen, dass das Obergiebt "Atomphysik" ist, die Quantenphysik eine Teilgebiet ist, die sich mit dem Verhalten und den Wechselwirkungen kleinster Elementarteilchen beschäftigt. Die Quantenmechanik ist wiederum ein Teilbereich der Quantenphysik. Die Quantenmechanik befasst sich nur mit dem Verhalten der Materie im atomaren und subatomaren Bereich.
 

Die Quantenphyik:
Wie in der Einleitung beschrieben, ist die Quantenphysik jener Teil der Physik, der sich mit der Wechselwirkung, Dynamik und Phänomenen von sog. Quantenteilchen beschäftigt. Die Quantenphysik leitet sich aus Erkenntnissen von Max Planck ab, dass wichtige eine Eigenschaft von Protonen, Neutronen, Elektronen ist, dass sie nicht beliebige Energien haben können (aus der berühmten Formel E = hv). Die Quantenphysik geht also davon aus, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern paketweise, also in Form von Quanten existiert. 
So lassen sich einzelne mögliche Energiezustände eines Atoms bestimmen (-> Quantenmechanik) und daraus bespielsweise ein bestimmtes Reaktionsverhalten vorrausgesagt werden kann (-> Quantenchemie).

Für das Verständnis der ""Quantenphysik" ist es unerlässlich zu wissen, wie ein Atom aufgebaut ist und was Elementarteilchen sind (Grundlagen der Kernphysik). Ebenfalls muss man sich von den Konzepten der klassischen Mechanik lösen. 
 

Kurzer Überblick über die Quantenphysik:
So dachte man früher, dass Licht aus Wellen besteht und Elektronen Teilchen sind. Aus Experimenten weiss man jedoch, dass Licht manchmal einen Wellencharakter und manchmal einen Teilchencharakter hat (dies gilt auch für Elektronen). So gibt es einen Versuch (Doppelspaltversuch), der den Wellencharakter von Elektronen nachweist.
Nach der Heisenbergschen Unschärferelation kann man den Ort und Impuls von Elementarteilchen nicht gleichzeitig exakt messen. Deswegen ist das Bohrsche Atommodell auch für die Quantenphysik ungeeignet, da die Elektronen nicht geordnet den Atomkern umkreisen, sondern, dass sie sich auf bestimmten Energieniveaus befinden und es sich nicht genau sagen lässt, wo sich ein Elektron genau befindet. Es gibt jedoch sogenannte Orbitale, in denen es am wahrscheinlichsten ist, dass sich Elektronen aufhalten. In der Quantenphysik rechnet man also mit Wahrscheinlichkeiten.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die wesentlichen Konzepte der Quantenphysik entwickelt wurden, um das Fehlen von klassischen Theorien (in der klassischen Mechanik und Elektrodynamik) zu kompensieren und mikroskopische Systeme (z.B. ein Atom) beschreiben zu können

weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

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