Geschichte der Quantenmechanik - History of quantum mechanics

10 der einflussreichsten Persönlichkeiten in der Geschichte der Quantenmechanik. Links nach rechts:

Die Geschichte der Quantenmechanik ist ein grundlegender Teil der Geschichte der modernen Physik . Die Geschichte der Quantenmechanik , wie sie sich mit der Geschichte der Quantenchemie verschränkt , begann im Wesentlichen mit einer Reihe verschiedener wissenschaftlicher Entdeckungen: der Entdeckung der Kathodenstrahlen im Jahr 1838 durch Michael Faraday ; die Winteraussage 1859–60 zum Schwarzkörperstrahlungsproblem von Gustav Kirchhoff ; der Vorschlag von Ludwig Boltzmann von 1877, dass die Energiezustände eines physikalischen Systems diskret sein könnten ; die Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz 1887; und die 1900-Quantenhypothese von Max Planck, dass jedes energieabstrahlende Atomsystem theoretisch in eine Anzahl diskreter "Energieelemente" ε (griechischer Buchstabe epsilon ) unterteilt werden kann, so dass jedes dieser Energieelemente proportional zur Frequenz ν ist, mit der jedes von ihnen strahlen einzeln Energie aus , wie durch die folgende Formel definiert:

wobei h ein numerischer Wert ist, der als Plancksche Konstante bezeichnet wird .

Dann Albert Einstein im Jahre 1905, um die zu erklären photoelektrischen Effekt von zuvor berichtet Heinrich Hertz im Jahre 1887 postuliert konsequent mit Max Plancks Quantenhypothese , die selbst Licht ist aus einzelnen Quantenteilchen, die im Jahr 1926 kam zu nennen Photonen durch Gilbert N .Lewis . Der photoelektrische Effekt wurde beim Einstrahlen von Licht bestimmter Wellenlängen auf bestimmte Materialien wie Metalle beobachtet, was dazu führte, dass Elektronen aus diesen Materialien nur dann ausgestoßen wurden, wenn die Lichtquantenenergie größer war als die Austrittsarbeit der Metalloberfläche.

Der Begriff "Quantenmechanik" wurde in den frühen 1920er Jahren von der Gruppe der Physiker Max Born , Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli an der Universität Göttingen (auf Deutsch, Quantenmechanik ) geprägt und erstmals in Borns Aufsatz "Zur Quantenmechanik" . In den folgenden Jahren wurde diese theoretische Grundlage langsam auf chemische Struktur , Reaktivität und Bindung angewendet .

Vorgänger und die "alte Quantentheorie"

Im frühen 19. Jahrhundert verlieh die chemische Forschung von John Dalton und Amedeo Avogadro der Atomtheorie der Materie Gewicht , eine Idee, auf der James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann und andere aufbauen, um die kinetische Gastheorie zu etablieren . Die Erfolge der kinetischen Theorie gaben der Idee, dass Materie aus Atomen besteht, weitere Glaubwürdigkeit, aber die Theorie hatte auch Mängel, die nur durch die Entwicklung der Quantenmechanik behoben werden konnten. Die Existenz von Atomen war unter Physikern oder Chemikern nicht allgemein anerkannt; Ernst Mach zum Beispiel war ein überzeugter Atomgegner.

Ludwig Boltzmann schlug 1877 vor, dass die Energieniveaus eines physikalischen Systems, wie eines Moleküls , diskret (und nicht kontinuierlich) sein könnten. Boltzmanns Begründung für das Vorhandensein diskreter Energieniveaus in Molekülen wie denen des Jodgases hat seinen Ursprung in seinen Theorien der statistischen Thermodynamik und der statistischen Mechanik und wurde durch mathematische Argumente gestützt , wie es auch zwanzig Jahre später bei der ersten Quantentheorie der Fall war von Max Planck vorgeschlagen .

Im Jahr 1900 führte der deutsche Physiker Max Planck, der nie an diskrete Atome geglaubt hatte, widerstrebend die Idee der Quantisierung von Energie ein, um eine Formel für die beobachtete Frequenzabhängigkeit der von einem schwarzen Körper emittierten Energie abzuleiten , das sogenannte Plancksche Gesetz , dass enthalten eine Boltzmann-Verteilung (anwendbar im klassischen Grenzwert). Das Plancksche Gesetz kann wie folgt formuliert werden:

wo:
I ( ν , T ) ist die Energie pro Zeiteinheit (oder die Leistung ), die pro Einheitsfläche der emittierenden Oberfläche in der Normalenrichtung pro Raumwinkeleinheit pro Frequenzeinheit von einem schwarzen Körper bei der Temperatur T abgestrahlt wird ;
h ist die Planck-Konstante ;
c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
k ist die Boltzmann-Konstante ;
ν ( nu ) ist die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung; und
T ist die Temperatur des Körpers in Grad Kelvin .

Die frühere Wien-Näherung kann aus dem Planckschen Gesetz abgeleitet werden, indem angenommen wird .

1905 verwendete Albert Einstein die kinetische Theorie, um die Brownsche Bewegung zu erklären . Der französische Physiker Jean Baptiste Perrin benutzte das Modell in Einsteins Aufsatz, um experimentell die Masse und die Dimensionen von Atomen zu bestimmen und so die Atomtheorie direkt empirisch zu überprüfen. Ebenfalls 1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt, indem er postulierte, dass Licht, oder allgemeiner die gesamte elektromagnetische Strahlung , in eine endliche Anzahl von "Energiequanten" unterteilt werden kann, die lokalisierte Punkte im Raum sind. Aus dem Einführungsabschnitt seines Quantenpapiers vom März 1905, "On a heuristic viewpoint about the Emission and Transformation of Light", sagt Einstein:

"Nach der hier zu betrachtenden Annahme verteilt sich die Energie bei der Ausbreitung eines Lichtstrahls von einem Punkt aus nicht kontinuierlich auf immer größer werdende Räume, sondern besteht aus einer endlichen Anzahl von 'Energiequanten', die in Punkten im Raum lokalisiert sind , bewegen sich ohne zu teilen und können nur als Ganzes aufgenommen oder erzeugt werden."

Diese Aussage wurde als der revolutionärste Satz eines Physikers des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Diese Energiequanten wurden später " Photonen " genannt, ein Begriff, der 1926 von Gilbert N. Lewis eingeführt wurde. Die Idee, dass jedes Photon aus Energie in Form von Quanten bestehen muss, war eine bemerkenswerte Leistung; es löste effektiv das Problem der unendlichen Energie von Schwarzkörperstrahlung , die theoretisch auftrat, wenn man Licht nur durch Wellen erklären würde. Im Jahr 1913 erklärte Bohr die Spektrallinien des Wasserstoffatoms , wiederum unter Verwendung der Quantisierung, in seinem Artikel vom Juli 1913 über die Konstitution von Atomen und Molekülen . Im Bohr-Modell wird das Wasserstoffatom als schwerer, positiv geladener Kern dargestellt, der von einem leichten, negativ geladenen Elektron umkreist wird. Das Elektron kann nur in bestimmten, diskret getrennten Bahnen existieren, die durch ihren Drehimpuls gekennzeichnet sind , der auf ein ganzzahliges Vielfaches der reduzierten Planck-Konstanten beschränkt ist . Der Haupterfolg des Modells lag in der Erklärung der Rydberg-Formel für die spektralen Emissionslinien von atomarem Wasserstoff . Obwohl die Rydberg-Formel experimentell bekannt war, erhielt sie erst mit der Einführung des Bohr-Modells eine theoretische Untermauerung. Das Bohr-Modell erklärte nicht nur die Gründe für die Struktur der Rydberg-Formel, sondern lieferte auch eine Rechtfertigung für die fundamentalen physikalischen Konstanten, die die empirischen Ergebnisse der Formel ausmachen.

Darüber hinaus ermöglichte die Anwendung der Planckschen Quantentheorie auf das Elektron Ștefan Procopiu 1911–1913 und anschließend Niels Bohr 1913 die Berechnung des magnetischen Moments des Elektrons , das später als „ Magneton “ bezeichnet wurde; ähnliche Quantenrechnungen, aber mit numerisch recht unterschiedlichen Werten, wurden später sowohl für die magnetischen Momente des Protons als auch des Neutrons möglich , die um drei Größenordnungen kleiner sind als die des Elektrons.

Diese Theorien waren zwar erfolgreich, aber streng phänomenologisch : Während dieser Zeit gab es keine strenge Rechtfertigung für die Quantisierung , abgesehen vielleicht von Henri Poincarés Diskussion der Planck-Theorie in seinem Aufsatz Sur la théorie des quanta von 1912 . Sie werden zusammenfassend als die alte Quantentheorie bezeichnet .

Der Begriff "Quantenphysik" wurde erstmals in Johnstons Planck's Universe in Light of Modern Physics (1931) verwendet.

1923 stellte der französische Physiker Louis de Broglie seine Theorie der Materiewellen vor, indem er feststellte, dass Teilchen Welleneigenschaften aufweisen können und umgekehrt. Diese Theorie galt für ein einzelnes Teilchen und wurde aus der speziellen Relativitätstheorie abgeleitet . Aufbauend auf de Broglies Ansatz wurde die moderne Quantenmechanik 1925 geboren, als die deutschen Physiker Werner Heisenberg , Max Born und Pascual Jordan die Matrixmechanik entwickelten und der österreichische Physiker Erwin Schrödinger die Wellenmechanik und die nichtrelativistische Schrödinger-Gleichung als Näherung von . erfand der verallgemeinerte Fall der Theorie von de Broglie. Schrödinger zeigte anschließend, dass die beiden Ansätze gleichwertig sind. Die ersten Anwendungen der Quantenmechanik auf physikalische Systeme waren die algebraische Bestimmung des Wasserstoffspektrums von Wolfgang Pauli und die Behandlung zweiatomiger Moleküle von Lucy Mensing .

Moderne Quantenmechanik

Heisenberg formulierte 1927 eine frühe Version des Unschärferelationsprinzips und analysierte ein Gedankenexperiment, bei dem versucht wird, gleichzeitig die Position und den Impuls eines Elektrons zu messen . Heisenberg gab jedoch keine genauen mathematischen Definitionen, was die "Unsicherheit" in diesen Messungen bedeutete, ein Schritt, der bald darauf von Grafen Hesse Kennard , Wolfgang Pauli und Hermann Weyl unternommen wurde . Um 1927 begann Paul Dirac den Prozess der Vereinheitlichung der Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie, indem er die Dirac-Gleichung für das Elektron vorschlug . Die Dirac-Gleichung erreicht die relativistische Beschreibung der Wellenfunktion eines Elektrons, die Schrödinger nicht erhalten hat. Es sagt den Elektronenspin voraus und veranlasste Dirac, die Existenz des Positrons vorherzusagen . Er war auch Pionier bei der Anwendung der Operatortheorie, einschließlich der einflussreichen Bra-Ket-Notation , wie sie in seinem berühmten Lehrbuch von 1930 beschrieben ist. Zur gleichen Zeit formulierte der ungarische Universalgelehrte John von Neumann die strenge mathematische Grundlage der Quantenmechanik als die Theorie der linearen Operatoren auf Hilberträumen, wie er in seinem ebenfalls berühmten Lehrbuch von 1932 beschrieben wurde . Diese, wie viele andere Werke aus der Gründerzeit, stehen noch und werden vielfach verwendet.

Das Gebiet der Quantenchemie wurde von Physikern Pionier Walter Heitler und Fritz London , die eine Studie der veröffentlichten kovalente Bindung des Wasserstoffmoleküls in 1927. Quantenchemie anschließend durch eine große Zahl von Arbeitnehmern, einschließlich dem amerikanischen theoretischen Chemiker entwickelt wurde Linus Pauling an Caltech und John C. Slater in verschiedene Theorien wie Molecular Orbital Theory oder Valence Theory ein.

Quantenfeldtheorie

Ab 1927 versuchten Forscher, die Quantenmechanik auf Felder statt auf einzelne Teilchen anzuwenden, was zu Quantenfeldtheorien führte . Zu den frühen Arbeitern in diesem Bereich zählen PAM Dirac , W. Pauli , V. Weisskopf und P. Jordan . Dieser Forschungsbereich gipfelte in der Formulierung der Quantenelektrodynamik durch RP Feynman , F. Dyson , J. Schwinger und S. Tomonaga in den 1940er Jahren. Die Quantenelektrodynamik beschreibt eine Quantentheorie von Elektronen , Positronen und dem elektromagnetischen Feld und diente als Modell für nachfolgende Quantenfeldtheorien .

Die Theorie der Quantenchromodynamik wurde Anfang der 1960er Jahre formuliert. Die Theorie, wie wir sie heute kennen, wurde 1975 von Politzer , Gross und Wilczek formuliert .

Aufbauend auf den Pionierarbeiten von Schwinger , Higgs und Goldstone zeigten die Physiker Glashow , Weinberg und Salam unabhängig voneinander, wie die schwache Kernkraft und die Quantenelektrodynamik zu einer einzigen elektroschwachen Kraft verschmolzen werden können , wofür sie 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten .

Quanteninformationen

Die Quanteninformationswissenschaft entwickelte sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts, beginnend mit theoretischen Ergebnissen wie dem Theorem von Holevo , dem Konzept der verallgemeinerten Messungen oder POVMs , dem Vorschlag der Quantenschlüsselverteilung von Bennett und Brassard und dem Shor-Algorithmus .

Gründungsversuche

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

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Externe Links