Einleitung. M. Planck (1858–1947) fand um 1900, daß elektromagnetische Strahlung nicht nur als Welle (6.9.5), sondern auch als eine Gesamtheit meist sehr vieler Teilchen, sogenannter Photonen, aufgefaßt werden kann. Bei der Fortpflanzung verhält sich elektromagnetische Strahlung wie eine Welle, bei der Wechselwirkung mit Materie wie Teilchen. Es gelang M. Planck, diese Dualität durch die Beziehungen zwischen der Frequenz, bzw. der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen und der Energie und dem Impuls der entsprechenden Photonen zu beschreiben. Die Planckschen Beziehungen stehen am Anfang der Quanten- und Wellenmechanik. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik ist es ihr móglich, atomare und molekulare Zustände und Prozesse mathematisch exakt wiederzugeben.
Einleitung. M. Planck (1858–1947) fand um 1900, daß elektromagnetische Strahlung nicht nur als Welle (6.9.5), sondern auch als eine Gesamtheit meist sehr vieler Teilchen, sogenannter Photonen, aufgefaßt werden kann. Bei der Fortpflanzung verhält sich elektromagnetische Strahlung wie eine Welle, bei der Wechselwirkung mit Materie wie Teilchen. Es gelang M. Planck, diese Dualität durch die Beziehungen zwischen der Frequenz, bzw. der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen und der Energie und dem Impuls der entsprechenden Photonen zu beschreiben. Die Planckschen Beziehungen stehen am Anfang der Quanten- und Wellenmechanik. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik ist es ihr móglich, atomare und molekulare Zustände und Prozesse mathematisch exakt wiederzugeben.
AuszugIm Jahre 1900 gelang es dem Deutschen Physiker Max Planck (1858 –1947) das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu beschreiben. Dazu führte er, „in einem Akt der Verzweiflung“, eine mathematische Hilfsgrösse ein, die unter dem Namen Planck’sches Wirkungs-quantum bekannt wurde. Einige Jahre später gelang es Albert Einstein, damit den Photoeffekt zu erklären und es wurde deutlich, dass sämtliche elektromagnetische Strahlung nur als Vielfaches von unteilbaren Portionen auftritt, also quantisiert ist. In seinem Artikel [21], welcher ihm 1921 den Nobelpreis einbrachte, formulierte dies Einstein wie folgt „Es scheint mir nun in der Tat, dass die Beobachtungen über die „schwarze Strahlung“, Photolumineszenz, (...) besser verständlich erscheinen unter der Annahme, dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raum verteilt sei. “ Diese Erkenntnis bereitete den Physikern zu Beginn einiges an Kopfzerbrechen, führte aber im Verlauf des 20. Jahrhunderts zur Entstehung eines neuen und mittlerweile sehr erfolgreichen Teilgebiets der Physik, der Quantenphysik.
Wie wir gesehen haben, tritt die elektromagnetische Strahlung in zwei Erscheinungsformen auf: Sie besitzt Wellennatur und Teilchennatur. Versuche, bei denen man Interferenz und Beugung elektromagnetischer Strahlung beobachten kann, lassen sich nur durch die Annahme erklären, daß die Strahlung aus Wellen besteht. Die davon gänzlich verschiedenen Quanteneffekte der elektromagnetischen Strahlung, wie etwa Photoeffekt und Compton-Effekt, können nur erklärt werden, wenn man annimmt, das Licht bestehe aus teilchenartigen Photonen. Dabei besitzt jedes Photon die Energie E und den Impuls ρ; beide Größen sind durch die Frequenz ν oder durch die Wellenlänge λ der Strahlung genau bestimmt: 5.1 ν=hE, 5.2 λ=ρh.
ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.
Abstract Fragen der Photonenstatik von Lichtquellen sind in der Quantenoptik in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht worden. Von besonderem Interesse ist dabei die Erzeugung der sogenannten nichtklassischen Strahlung. Diese ist nur bei einer quantenmechanischen Behandlung des Strahlungsfeldes erlaubt und kann nicht durch ein klassisches elektromagnetisches Feld dargestellt werden. Im Photonenbild entspricht der nichtklassischen Strahlung eine gleichmäßige Folge von Photonen. Ein solcher Lichtstrahl ist für die optische Kommunikation von sehr großem Interesse, da ein Optimum an Information übertragen werden kann; außerdem sind die Intensitätsschwankungen minimal. Aus diesem Grunde ist die Untersuchung der Bedingungen, die zur Erzeugung des nichtklassischen Lichtes führen, von großer Bedeutung. Es zeigt sich, daß die Herstellung der Strahlung in einem Maser/Laser dann möglich ist, wenn die Verluste außerordentlich klein gehalten werden; außerdem müssen die Energieaustauschprozesse zwischen Strahlungsfeld und Atomen sehr genau kontrolliert werden, so daß hierbei keine zusätzlichen Photonen verloren gehen. Diese Prozesse sind von grundsätzlichem Interesse, da sie eine Messung von Strahlungsfeldern erlauben, ohne daß dabei Photonen vernichtet werden, wie es normalerweise der Fall ist.
Der Welle-Teilchen-Dualismus ist kein Naturgesetz – er ist ein didaktisches Artefakt. Das semiklassische Modell (klassisches elektromagnetisches Feld, quantisierte Materie) ist für die gesamte Elektrotechnik-Ausbildung nicht nur ausreichend, sondern physikalisch präziser als die übliche Dualismus-Darstellung. Das Paper beschäftigt sich ausschließlich mit masselosen Quantenobjekten – elektromagnetischer Strahlung und deren Wechselwirkung mit Materie. Drei experimentelle Belege bilden das Fundament: Fowler (1931) zeigte, dass die Grenzfrequenz des Photoeffekts bei T > 0 K ausschmiert – die Diskretheit sitzt in der Fermi-Dirac-Statistik der Materie, nicht im Lichtfeld. H. Hübel (1987) demonstrierte diesen Zusammenhang im Schulversuch. Klaus H. Herrmann (1994) lieferte den vollständigen festkörperphysikalischen Rahmen: Der äußere Photoeffekt ist ein Drei-Stufen-Prozess aus Eindringtiefe der Strahlung, Austrittstiefe der Elektronen und Austrittsarbeit – an keiner Stelle braucht man ein Lichtteilchen. Ein einfaches Kamera-Doppelspalt-Experiment (150 Euro, Küchentisch) illustriert die drei Phasen sauber getrennt: Emission als quantisierter Materievorgang, Propagation als klassische Maxwell-Welle, Detektion durch die Bandstruktur des Silizium-Sensors. Die Grenze des Modells liegt bei Intensitätskorrelationen zweiter Ordnung – weit jenseits aller elektrotechnischen Anwendungen. Licht ist die Sprache der Elektronen. Die Diskretheit bei der Wechselwirkung kommt nicht aus dem Feld – sie kommt aus der Materie.
Von Lothar von Straufl und Torneu, Jena II.Der durch die Quantenmechanik veranderte Standpunkt *)In den letzten Jahrzehnten des 19.Jahrhunderts trat mit der Entdeckung der neuen Strahlenarten, Kathoden-und Rontgen-Strahlen, und des Elektrons wie auch der Radioaktivitat eine groRe Menge empirischen Materials in die Physik ein, dessen Einordnung in die Theorie in vollem MaRe erst durch die Quantentheorie ermoglicht wurde.Der Blitz, der diese Situation zum ersten Ma1 erleuchtete, war Plancks Entdeckung des Gesetzes der Hohlraumstrahlung, das den neuartigen und zunachst wenig verstandenen Begriff der Quanten in die Physik einfuhrte.Des weiteren ist die Atomtheorie Rutherfords zu erwahnen sowie, schon unter Benutzung des Wirkungsquantums, die Bohrsche Atomtheorie, die das Atomplanetensystem erkennen lieR, sich aber mit ihren ,,strahlungslosen" Elektronenbahnen zunachst in schroffem Gegensatz zur klassischen Elektrodynamik setzte.Durch eine Fulle experimenteller Bestatigungen erwies sich jedoch ihr Wahrheitswert, womit ein neues Zeitalter der Physik eroffnet wurde.Es ist bekannt, da13 die Bohrsche Theorie auch auf Schwierigkeiten sties, was aber ihre fundamentale Bedeutung nicht aufhob, und daI3 dann Heisenberg, Schrodinger, Dirac u. A. die Quantenmechanik aufstellten, die auch noch heute das physikalische Weltbild beherrscht.Heisenbergs groI3e Tat ist nicht nur die Quantentheorie der Matrizen, sondern auch vor allem die Entdeckung der Unscharfe-Relationen, welche den von de Broglie aufgedeckten Dualismus von Teilh e n -und Wellenbild begrundeten.Hier werden wir anzuknupfen haben, wenn die Bedeutung der modernen Physik fur den Begriff der Objektivierbarkeit, dem diese Arbeit gewidmet sein soll, ins Auge gefaRt wird.Heisenberg hat wohl zuerst die veranderte Stellung der Physik zur Objektivierbarkeit erfaI3t.In aufierordentlich klarer Weise hat er &on 1933 in einem Munchener Vortrag diese schopferische Idee ans Licht ge-~t e l l t .~) Die Unscharfe-Relationen sprechen in ihrer ersten Form die Komplementaritat zwischen Impuls und Ort einerseits, zwischen Energie und Zeit andererseits aus.Klassische und Quantenphysik haben die Satze von der Erhaltung der Energie und des Impulses gemeinsam.Wenn man mit der klassischen Physik in den Erhaltungssatzen die Kausalgesetzlichkeit als Ausdruck der Gesetzlichkeit der Naturvorgange annimmt, im Raum-Zeit-Bild die Anschaulichkeit, so wird man die beiden Kennzeichen der Kausalitat im klassischen Sinne, Energie und Impuls, als komplementar zu der Dimension der Anschauung setzen.Wir mussen auch hier die Kenntnis der quantenmechanischen Theorie im wesentlichen als bekannt voraussetzen.Schrodinger sah in seiner Wellen-