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 Energie-erhaltungssatzes 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.
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 Energie-erhaltungssatzes 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.
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.
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.
ZusammenfassungEin wichtiges Anwendungsgebiet der Quantenmechanik stellt die theoretische Untersuchung und Beschreibung von Streu-(Stoß)prozessen atomarer Teilchen dar. Es lassen sich damit wertvolle Aufschlüsse über Teilchenwechselwirkungen (z.B. Kernkräfte), elementare Wechselwirkungspotentiale, den Aufbau der Materie (z.B. Kristallstrukturen) usw. gewinnen. Die energetische Struktur der Atome und Moleküle wird dagegen spektroskopisch untersucht, wobei durch eine irgendwie geartete Energiezufuhr das Teilchen aus seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzt wird. Die bei der Rückkehr in den Grundzustand zum Beispiel in Form eines Photons emittierte Energie wird analysiert. Anfangs- und Endzustand des Prozesses stammen aus dem diskreten Spektrum des Hamilton-Operators (gebundene Zustände). Typisch für Streuprozesse ist dagegen, daß Anfangs- und Endzustand des betrachteten Systems beide im kontinuierlichen Teil des Eigenwertspektrums liegen. Das gestreute Teilchen kommt aus dem Unendlichen in den Wirkungsbereich des Streuers, um nach dem Stoß asymptotisch im Unendlichen detektiert zu werden. Es befindet sich also nicht in einem gebundenen Zustand.
Während der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen -, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.
ZusammenfassungWährend der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen —, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.
AuszugIm ersten Band haben wir die Grundlagen der makroskopischen Physik erarbeitet. Ausgangs-punkt bildeten einige wenige Postulate oder Erhaltungssätze, wie der Energie- und Impuls-erhaltungssatz oder die Erhaltung der elektrischen Ladung. Ein wichtiger Wesenszug war dabei der strenge Determinismus aller Naturvorgänge. Auf Grund der Newtonschen Postulate ist es z. B. möglich, Ort und Impuls eines Teilchens zu einem beliebig gewählten späteren Zeitpunkt vorherzusagen, wenn die auf es wirkenden Kräfte bekannt sind. Denken wir etwa an die präzisen Bahnberechnungen der Planeten des Sonnensystems oder an die einer komplizierten Flugroute einer Weltraumrakete. Das wird anders, wenn wir uns für den Mikrokosmos interessieren, also wenn wir uns eine Grundlage verschaffen wollen, die atomaren Prozesse von wenigen Prinzipien her quantitativ zu beschreiben. Die uns aus dem täglichen Leben selbstver-ständliche Voraussetzung, dass eine Messung das Teilchen nicht beeinflusst, gilt in der Welt der kleinsten Teilchen nicht mehr. Wir können im Allgemeinen keine präzise Vorhersage machen über die Bahn eines einzelnen herausgegriffenen Teilchens. Das Messergebnis beeinflusst dieses und seine Bahn. Auch der uns bekannte Sachverhalt, dass sich die Energie eines gebundenen Teilchens in beliebigen Portionen ändern lässt, müssen wir aufgeben. Unter einem gebundenen Teilchen wollen wir dabei ein Teilchen verstehen, etwa ein Elektron, das durch das Potential des zugehörigen Atomkerns durch dessen elektrisches Potential sich nicht von ihm lösen kann, sondern gezwungen wird, den Kern zu umrunden. Damit sind wir aber schon wieder an einen Punkt gelangt, wo die Natur uns ein „Stopp“ entgegenhält. Wir werden nämlich sehen, dass der Bahnbegriff überhaupt nicht mehr zulässig ist.