Kategorie:Struktur der Materie

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Die Struktur der Materie beinhaltet den Aufbau und die quantenphysikalischen Grundlagen unserer Materie vom Elementarteilchen bis zum Festkörper.

Sie gliedert sich folgendermaßen:


Die Struktur der Materie gibt einen Überblick über unsere heutige Kenntnis des Aufbaus und der Eigen­schaften der Materie beginnend mit dem Atom bis hin zum Festkörper mit einem Ausflug in die Kern- und Elementarteilchenphysik.

Sie enthält Grundlagen der Optik, den Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen und der Funktion optischer Instrumente. Dies ist die Voraussetzung, um zu verstehen, wie man die Eigenschaften der Materie mit Hilfe spektroskopischer Messmethoden erschließt. Aus welchen Experimenten wissen wir, was wir zu wissen glauben, und wie funktionieren sie? In die Quantenwelt der kleinsten Teilchen können wir überwiegend nur noch indirekt schauen. Hoch­entwickelte mikroskopische Methoden erlauben zwar die Abbildung einzelner Atome, aber wenn wir uns nicht nur für ein Abbild oder eine Struktur, sondern auch für einen Mechanismus oder eine Funktion interessieren oder in das Atom selbst oder noch tiefer in seine Bestandteile hineinschauen wollen, sind ganz andere Methoden erforderlich. Eine der wichtigsten Methoden dazu ist die optische Spektroskopie.

Sie enthält einen historischen Streifzug in die Geschichte der Quantenphysik. Eine der aufregendsten Zeiten in der Physik war wohl die erste Hälfte des letzten Jahrhunderts, als die Quantenphysik entwickelt wurde. Für uns heute selbstverständliche Phäno­mene, wie beispiels­weise die Schwarzkörperstrahlung, der Photoeffekt oder das Doppelspalt­experiment haben Forscher­hirne schmoren lassen. Anhand der wichtigsten historischen Experi­mente wollen wir versuchen, die damaligen Rätsel nachzuvollziehen, und uns dabei die krassen Widersprüche der Quantenphysik zur klassischen Physik und zu unserem bisherigen Weltbild erar­bei­ten. Unser Ziel wird es sein, die grundlegenden Phänomene der Quantenphysik kennen­zulernen und ihre Besonderheiten benennen zu können. Unterwegs wird uns der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelation, aber auch Schrödingers Katze, begegnen und wir werden lernen, was ein Quantenradierer ausradiert. Wir werden sehen, dass die Frage nach dem „Wie?“ oder „Was?“ oder „Warum?“ gerade in der Quantenphysik an vielen Stellen noch nicht beantwortet ist oder in aktueller Diskussion ist. Obwohl die mathematische Theorie, die Quantenmechanik, bisher allen experimentellen Prüfungen stand­gehalten hat, ist ihre Interpretation oder anschauliche Deutung eine ganz andere Frage. Gerade hier ist die Physik immer noch sehr offen, und lässt viel Spielraum für neue Antworten auf alte und neue Fragen, z.B. was bildet denn die Welle einer Wellenfunktion? Was ist überhaupt Materie? Wissen wir das eigentlich? Warum hat Materie eine Masse?

Um die Ursachen und die Zusammenhänge verschiedener quantenphysikalischer Phänomene zu erken­nen, ist eine Einführung in die mathematischen Methoden der Quantenmechanik erforder­lich. Wir wollen Quantensysteme auch qualitativ und quantitativ verstehen, also z.B. „Was ist wie weshalb quantisiert und wovon hängt das ab?“ oder „Welche Folgen hat die Quantisierung?“ oder „Was ist überhaupt und wenn ja, wie präzise messbar? Wie ist eine Messung zu interpretieren?“ Hierzu genügt es nicht, nur auf der phänomenologischen Ebene zu bleiben, also nur zu beschrei­ben. Phänomenologisch stellt man beispielsweise fest, dass Atome nur ganz bestimmte individuelle Energien aufnehmen können. Man könnte das zur Kenntnis nehmen und damit zufrieden sein. Will man aber verstehen, warum das so ist und welche Energien das sind, dann ist es unumgänglich, sich näher mit der Grundgleichung der Quantenmechanik, nämlich der Schrödinger-Gleichung auseinanderzusetzen. Diese nimmt in der Quantenphysik dieselbe fundamentale Stellung ein, wie das Newtonsche Bewegungsgesetz in der Mechanik und die Maxwell-Gleichungen in der Elektrodynamik. Genau wie das Newtonsche Bewegungs­gesetz lässt sie sich sehr einfach schreiben und daher zuerst einmal nicht erahnen, wie grundlegend und vielfältig sie auf verschiedenste reale Systeme anwend­bar ist. Wir werden lernen, wie man sie auf reale Systeme anwendet und für einfache Fälle lernen, wie man sie löst. Und auch, wie wir ihre Lösungen, die Wellen­funktionen ψ und Eigenwerte E, als Eigenschaft der Materie interpretieren können. Wir werden sehen, dass bereits für das einfachste Atom, nämlich das Wasserstoff-Atom, die Lösung der Schrödingergleichung schon sehr aufwendig ist. Wir werden deshalb mit noch einfacheren Systemen beginnen und uns langsam an das Wasserstoff-Atom herantasten. Unser Ziel wird es sein, Methoden zum Aufstellen und Lösen der stationären Schrödinger-Gleichung anwenden zu können. Für vereinfachte Modelle von Atomen, Molekülen, Kernen und Festkörpern werden wir sie dann aufstellen und lösen. Kennen wir die Lösungen, können wir daraus auf die Eigenschaften der Materie schließen, bzw. diese verstehen.

Schließlich werden wir also diese Erkenntnisse, die wir anhand der Schrödinger-Gleichung gewonnen haben, auf Materie anwenden. Wir werden die Grundlagen der Atomphysik, den Aufbau des Periodensystems, Atomkerne, einfache Moleküle und schließlich Festkörper betrachten. Abschließend werden wir uns einige ausgewählte Anwendungen ansehen, wie z.B. Laser, Molekülspektroskopie, pn-Übergang, Kernenergie.

Erfahrungsgemäß fällt die Quantenphysik vielen Studierenden sehr viel schwerer als die klassische Physik, obwohl sie inhaltlich vom der Thematik fasziniert sind: Zum einen setzt die Quantenphysik Basiswissen in einem hohen Maß voraus. Zum anderen ist sie, verglichen mit der Mechanik und Elektrodynamik, wesentlich abstrakter. Viele Phänomene sind nicht mehr anschaulich, sondern nur noch abstrakt erklärbar. Und schließlich wird die Mathematik anspruchsvoller und schwieriger.


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