Ankopplung an ein elektromagnetisches Feld

Felix Joachim v. Wiśniewski

Werner R. Theis

ZusammenfassungIn den Teilen I und II haben wir die Quantentheorie von Systemen mit endlich vielen Freiheitsgraden kennengelernt. Dabei kamen auch elektromagnetische Felder, also Systeme mit unendlich vielen Freiheitsgraden, vor. Diese wurden jedoch als gegebene klassische Felder behandelt, deren Freiheitsgrade überhaupt nicht in die Theorie eingebracht wurden. Deshalb konnte auch die spontane Emission von Licht bei einem quantenmechanischen Übergang eines Atoms nicht beschrieben werden; hierbei werden ja Freiheitsgrade des elektromagnetischen Feldes angeregt. Schon bei klassischer Behandlung existieren Felder auch ohne Ankopplung an andere Systeme, sie sind selbst Träger von Energie, Impuls und Drehimpuls. Wenn nun ein mechanisches System an die Felder gekoppelt und den Regeln der Quantentheorie unterworfen wird, so muß z. B. bei Änderung des Drehimpulses des Feldes auch das Feld quantisiert werden, um nicht in Widerspruch zum gequantelten Drehimpuls des mechanischen Systems zu geraten. Eine Quantentheorie ist daher erst dann eine unter Umständen brauchbare Theorie, wenn sie die Felder in die quantentheoretische Beschreibung konsistent einbezieht.

Franz Schwabl

Franz Schwabl

Harry Paul

Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch im Einzelprozeß — zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums — ausgestrahlt.

Franz Schwabl