Wellenmodell oder Teilchenmodell?
Hallo, ich habe Schwierigkeiten in Physik den Unterschied zwischen Wellenmodell und Teilchenmodell festzustellen. Also wie kann ich sagen, dass es sich jetzt um ein Wellen oder Teilchenmodell handelt?
Danke.
4 Antworten
Aus quantenphysikalischer Sicht heraus gilt das Teilchenmodell heute als überholt.
Was man als "Teilchen" missverstanden hat (und in verschiedenen Experimenten beobachtet zu haben glaubte), waren Lichtquellen, die dadurch entstanden, dass eine sich kugelförmig im Raum ausbreitende Welle an bestimmtem Ort schlagartig all ihre Energie an ein anderes Quant abgab (man spricht vom "Kollaps der Wellenfunktion").
Das diese Energie aufnehmende Quant – meist ein Elektron eines Atoms – gerät durch Aufnahme der ankommenden Energie in einen angeregten Zustand, aus dem es aber fast sofort durch Abgabe elektromagnetischer Wellen (= Licht) wieder in seinen Normalzustand zurückfällt. Dieses dann beobachtete Licht hat man missverstanden als Bild eines "Teilchens".
Tatsächlich aber hat nie ein "Teilchen" existiert, sondern nur eine unteilbare Portion von Energie, welche sich als Kugelwelle (um Hindernisse herum gebeugt) um die Stelle ihres Entstehens herum ausgebreitet hat. Sie entstand als harmonischer Oszillator, d.h. als durch eine schwingende elektrische Ladung erzeugte elektromagnetische Kugelwelle.
Tatsächlich aber hat nie ein "Teilchen" existiert, sondern nur eine unteilbare Portion von Energie,...
Genau das ist das, was man unter einem Teilchen zu verstehen hat. Der Fehler besteht darin Teilchen als Korpuskeln misszuverstehen, als kleine "Dinger".
Die Teilchen mit welleneigenschaften zu erklären ist nichts anderes als eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit z.b. eines elektrons anzugeben.
Viele Phänomene lassen sich besser mit dem teilchenmodell erklären, andere mit dem wellenmodell. Z.b. der tunneleffekt welches erlaubt, dass die aufenthaltswahrscheinlichkeit eines elektrons hinter außerhalb eines unüberwindbaren potentialtopfes nicht 0 ist.
Hallo beegina,
mir ist nicht ganz klar, ob Du konkret das Teilchenmodell bzw. das Wellenmodell von Licht meinst oder allgemeiner. Die Formulierung hört sich aber sehr nach Licht an, und damit hat die Quantik ja auch begonnen. Ich werde deshalb auch historisch zurückgehen.
Klassische Teilchen- bzw. KorpuskeltheorieNEWTON hielt Licht für etwas, das aus kleinen Teilchen, sog. Korpuskeln zusammengesetzt ist, die sich durch den Raum bewegen und durch Größen wie den Impuls p› und die kinetische Energie Eₖ beschrieben werden, wobei NEWTON selbst ihnen diese Eigenschaften wohl noch nicht zugeschrieben hat, da er diese Korpuskeln für masselos hielt.
Sie könnten theoretisch (nach dem NEWTONschen Modell jedenfalls) unterschiedliche Geschwindigkeiten haben und einander ggf. sogar überholen. MITCHELL und LAPLACE gingen sogar schon davon aus, dass sie von Gravitation beeinflusst werden, weshalb sehr schwere Sterne trotz enormer Leuchtkraft unsichtbar sein könnten.
WellenmodellNEWTONs Zeitgenosse HUYGENS glaubte an Lichtwellen, die durch Größen wie die Wellenlänge λ bzw. den Wellenvektor k›, |k›|=2π/λ, die Frequemz f bzw. Kreisfrequenz ω=2π und die Amplitude gekennzeichnet sind.
Da sich Wellen normalerweise durch ein Medium ausbreiten, nahm HUYGENS an, das Weltall sei mit einer Supersubstanz namens Weltäther ausgefüllt, dessen Eigenschaften auch die Lichtgeschwindigkeit bestimmen müssten, sodass Lichtsignale einander nicht überholen können.
Das Wellenmodell setzte sich im 19. Jhd. durch, nicht zuletzt dank der Bestätigung einer Voraussage eines ausgemachten Gegners der Wellentheorie, POISSON. Der hatte gesagt, im Schatten eines Körpers müsste eigentlich durch Beugung ein Lichtfleck entstehen, wenn Licht aus Wellen bestünde. Kurz drauf wurde genau dieser Fleck gefunden.
MAXWELL sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, was später durch HERTZ für „niedrige“ Frequenzen bestätigt werden konnte. Schon MAXWELL selbst vermutete, dass Licht genau das ist, nur mit viel höherer Frequenz.
Die LichtquantenhypotheseSolche Wellen bilden sich auch im Inneren eines Kastens der Kantenlänge L und der absoluten Temperatur T(in J¹)), und zwar als stehende Wellen mit den Wänden als Knotenflächen. Die Komponenten von k› müssen dabei ganzzahlige Vielfache von π/L sein, aber je kürzer die Welle, desto größer die Anzahl möglicher Schwingungen, sog. Moden. Ihre Anzahl im Frequenzbereich f+df wächst mit f quadratisch, und sollte jede Mode im zeitlichen Mittel mit der Energie T angeregt sein, gälte dasselbe für die f-spezifische Energiedichte („Ultraviolettkatsstrophe“).
Das ist nicht, was man beobachtet. Stattdessen flacht die Kurve ab und erreicht ein Maximum, hinter dem sie exponentiell abfällt.
Um das zu erklären, führte PLANCK 1900 das Wirkungsquantum h ein (das 'h' steht eigentlich für 'Hilfsgröße') und stellte die Hypothese auf, dass elektromagnetische Strahlung der Frequenz f nur in Quanten („Portionen“) der Energie h·f abgegeben und aufgenommen werden könne.
Eine f-Mode kann also nur mit ganzzahligen Vielfachen von h·f angeregt werden, und solche mit f≥T/h werden dann nur noch selten angeregt, da die Energiedichte dafür einfach nicht reicht.
Ein paar Jahre später kam ein anderer Physiker auf die Lichtquantenhypothese zurück: EINSTEIN. Er konnte mit ihrer Hilfe erklären, warum im Rahmen des Äußeren Photoelektrischen Effekts noch so helles Licht geringer Frequenz den Effekt nicht auslöste. Es kann eben nur ein einzelnes Quant gleichzeitig aufgenommen werden, und dies hat die (kinetische, was hier auch gesamte Energie ist) Energie Eₖ=hf, den Impuls p›=hk›/2π. PLANCKs Wirkungsquantum verbindet also typische Körper- und Teilchengrößen mit typischen Wellengrößen.
Im selben Jahr veröffentlichte EINSTEIN eine Arbeit über die Elektrodynamik bswegter Körper, auch Spezielle Relativitätstheorie genannt. Sie stützt sich auf GALILEIs Relativitätsprinzip, dem zufolge Fortbewegung relativ ist, in Verbindung mit MAXWELLs Wellengleichung. Licht besteht also aus Wellen, die aber energetisch „portioniert“ sind, was wieder eine „teilchenhafte“ Eigenschaft ist, und diese Quanten bewegen sich relativ zu jedem Beobachter mit c. Licht kann also nicht Licht überholen und dennoch kann man keinen Äther ausmachen.
Das Wellenhafte an Materieteilchen……wurde zuerst 1924 von DE BROGLIE beschrieben, der damit die Stabilität und die Quantisiertheit der Atome besser begründen konnte. SCHRÖDINGER et al.²) entwickelten ab 1926 eine Gleichung daraus, die Elektronen gleichsam als räumliche stehende Welle im Atom beschreibt.
Es gibt also gar keine sozusagen klassischen Teilchen (Korpuskeln) oder klassischen Wellen, nämlich kontinuierliche, sondern überhaupt nur Quanta, die gleichsam elementare Anregungen verschiedener Felder sind. Für einige dieser Quanta gibt es sogar Kontinuitätsgleichungen für eine Eigenschaft namens Teilchenzahl, was sie in gewisser Weise noch „teilchenhafter“ macht als Lichtquanten.
Das Wellenhafte kommt vor allem in Beugungsexperimenten mit vielen gleichen Quanta zum Vorschein, denn das einzelne Teilchen kann ja nur als Ganzes an einer bestimmten Stelle detektiert weren, weil es ja elementar ist. Die durch das Betragsquadrat seiner Amplitude gegebene Wahrscheinlichkeit jedes Teilchens, an dieser oder Stelle detektiert zu werden, wird zur relativen Häufigkeit der Detektion.
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¹) Üblicherweise wir T in K (Kelvin) angegeben, was multipliziert mit der BOLTZMANN-Konstante k_{B} zu einer Angabe in J wird: 1K≈1,38·10⁻²³J.
²) PAULI brachte den Spin in die Gleichung, KLEIN und GORDON entwickelten eine erste LORENTZ-invariante Gleichung und DIRAC verwendete diese zur Entwicklung einer Gleichung, die Materieteilchen wie das Elektron recht umfassend beschreibt.
wenn es ohne beobachtung steht , wird es als welle agieren.Wenn man eine Messung durchführt, verhält es sich wie ein teilchen
Du kannst den Impuls und den Ort eines Teilchens nicht im gleichen Moment bestimmen. Je mehr du von dem einen weißt, desto weniger weißt du vom anderen. Heisenbergsche Unschärferelation. Das Universum ist bis auf das planksche wirkungsquantum unbestimmt.
Ganz so stimmt das nicht:
wenn man eine Beobachtung macht, die ein Teilchen detektiert, wird es sich wie ein Teilchen verhalten;
wenn man eine Interferenzerscheinung misst, wird es sich wie eine Welle verhalten.