Das Atom (3) - bzw. Quantensprünge

von Ernst Peter Fischer

Ernst Peter Fischer
Das Atom (3)
bzw.
Quantensprünge

Von Ernst Peter Fischer
 
Das Quantum der Wirkung
 
Eines der spannendsten Konzepte, das die Wissenschaft im 20. Jahrhundert erfunden hat, ist die Idee des „Quantums“ oder des „Quantensprungs“. Korrekt spricht man von einem „Quantum der Wirkung“. Wirkung ist aber eine merkwürdige Größe, die sich aus Energie und Zeit zusammensetzt. Entdeckt hat das der Physiker Max Planck etwa zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Er hat es zum ersten Mal im Jahre 1900 vorgeschlagen.
Planck wollte damals etwas scheinbar sehr Einfaches erklären, nämlich das, was passiert, wenn man einem Metall oder einem festen Körper Wärme zuführt. Immer mehr Wärme, bis er anfängt zu glühen, erst rötlich, dann gelblich, dann Weißlich, bevor er sich auflöst. Die Frage ist: Kann ich das Entstehen dieses Lichtes, dieser Farben durch die Physik erklären?
Es gab Theorien, die erklären konnten, was am Anfang passiert. Es gab Theorien, die konnten erklären, was am Ende passiert, aber es gab keine physikalische Theorie, die diese Strahlung, die durch Wärmezufuhr an einem Körper erzeugt wird, durchgängig erklären konnte.
Bis Planck sich im späten 19. Jahrhundert dieser Frage annahm und dann im Jahr 1900 durch genaue Prüfung von Messungen fand, wie man diese beiden Erklärungen von links und rechts oder von kleinen zu großen Wellenlängen verbinden konnte. Das ging mit Hilfe einer diskontinuierlichen Größe, die er „Quantum der Wirkung“ nannte.
Er mußte annehmen, daß die Energie des Lichtes, die von den erwärmten Körpern aus geht, in kleinen Päckchen abgegeben wird, nicht kontinuierlich, sondern in Päckchen. Diese Energie ist durch die Frequenz des Lichtes und durch eine zweite Größe gegeben, ebendiese von Planck eingeführte Konstante, das Quantum der Wirkung.
 
Quantensprünge
 
Da hatte man so etwas wie Quantensprünge. Und diejenigen Elemente oder Gebilde in der physikalischen Welt, die diese Quantensprünge ausführen, sind die Atome. Man muß oder darf sich jetzt unter diesem Aspekt die Atome immer noch in einer einfachen Weise vorstellen: ein Atomkern und um diesen Atomkern herum irgendwie jene Gebilde, die wir „Elektronen“ nennen. So können wir uns der Anschaulichkeit halber ruhig vorstellen, daß diese Elektronen in einer Quantenbahn unterwegs sind. Man stelle sich vor, daß die Elektronen eine Art Wolke um den Atomkern herum bilden, daß sie Aufenthaltsbereiche haben. Diese Aufenthaltsbereiche gehen nicht kontinuierlich ineinander über, sondern nur sprunghaft. Man kann gewissermaßen, wie das jemand einmal freundlich formuliert hat, „schwuppdiwupp und mit Elan auf die nächste Quantenbahn“ springen. Aber man kann nicht zwischen zwei Quantenbahnen, zwei solchen Zuständen sein. Dabei kommt es eben zu einem Quantensprung, bei dem Licht ausgesendet wird.
Wenn ein Atom einen Quantensprung macht, dann wird dabei Licht generiert, was im übrigen ein rätselhaftes Phänomen ist. Tatsächlich, wenn es jetzt diese Quantensprünge der Atome gibt, tritt das Licht in Form von Quanten auf. Das Licht hat selbst die Form von Quanten. Das hat jetzt wieder eine merkwürdige Konsequenz. Es ist immer wieder so in der Physik, wenn Sie ein Problem lösen, taucht ein anderes, manchmal noch gravierenderes auf.
 
 
© Ernst Peter Fischer