Mikrokosmos
Werner Heisenberg (1901 – 1976) war ein deutscher Physiker und Nobelpreisträger. Er formulierte 1927 die Heisenberg’sche Unschärferelation.
Die „Heisenberg’sche Unschärferelation“ beschreibt einen wichtigen Aspekt in der Quantenmechanik und besagt, dass Ort und Impuls eines Teilchens niemals gleichzeitig exakt genau bestimmt werden können.
Das bedeutet also folgendes: Wenn man den Ort eines Teilchens bestimmt, wird man niemals gleichzeitig den korrekten Impuls bestimmen können, weil dieser immer unscharf sein wird. Je genauer man den einen Faktor misst, desto ungenauer wird die Messung des anderen ausfallen.
Mathematisch kann dies folgendermaßen beschrieben werden:
\(Δx \cdot Δp ≥ {{h} \over {2}} \)
Δx: Unsicherheit (Unschärfe des Ortes)
Δp: Unsicherheit (Unschärfe des Impulses)
h: Planck‘sches Wirkungsquantum bzw. -konstante; Wert = 2π
Diese Formel besagt, dass das Produkt aus der Unsicherheit von Ort und Impuls nicht kleiner als die quantenmechanische Naturkonstante h werden kann. Wird jetzt eine dieser beiden Größen erhöht, muss sich zwangsläufig die andere Größe verkleinern.
Als Licht bezeichnet man elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich des menschlichen Auges von ca. 400 nm (violett) – 700 nm (rot).
Menschen nehmen elektromagnetischen Strahlung mit der Netzhaut des Auges wahr. Unterschiedliche Wellenlängen sind für uns unterschiedliche Farben im sichtbaren Bereich.
Streng genommen wird auch noch die Strahlung der angrenzenden Gebiete als Licht bezeichnet. Wenn man weiter in den kurzwelligeren Bereich geht, gelangt man zur Röntgen- und γ-Strahlung. Geht man in die andere Richtung des langwelligen Bereichs, gelangt man zu den Radiowellen.
Das Licht besitzt sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter. Der Energietransport des Lichts erfolgt in Form von sogenannten Photonen, also kleinen Energieteilchen. Die Ausbreitung hingegen erfolgt wellenförmig, daraus ergibt sich das Bild der elektromagnetischen Welle.
Als Feld bezeichnen wir die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe. Ein elektrisches Feld ist dabei die Summe aller Kräfte, die von einer Ladung auf einen Raum wirken. Dies gilt genauso für ein magnetisches Feld, dieses entsteht allerdings nur, wenn eine elektrische Ladung bewegt wird. Die Feldlinien des magnetischen Feldes stehen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien. Wenn nun die beiden Felder synchron miteinander schwingen, spricht man von elektromagnetischen Wellen.
Elektromagnetische Wellen benötigen kein Medium, um sich fortzubewegen. In einem Vakuum steht die Schwingung der Welle senkrecht zur ihrer Ausbreitungsrichtung und wird deswegen Transversalwelle genannt. Sie breiten sich hier in Lichtgeschwindigkeit aus. In einem Medium können sich elektromagnetische Wellen ebenfalls ausbreiten, werden hier jedoch langsamer. In diesem Fall gibt der sogenannte Brechungsindex das Verhältnis zwischen der Phasengeschwindigkeit im jeweiligen Medium zur Lichtgeschwindigkeit bei der Ausbreitung im Vakuum an.
In der Quantenphysik spricht man Objekten sowohl Teilchen- also auch Welleneigenschaften zu, dies ist der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. Je nachdem welches Experiment durchgeführt wird, kommt die eine oder andere Eigenschaft zum Vorschein.
Dies kann am Beispiel des Lichts nochmal verdeutlicht werden.
Ein bekanntes Experiment zu Darstellung der Welleneigenschaften von Licht ist das Doppelspaltexperiment:
Ein einfarbiger Lichtstrahl (bestehend aus Photonen) wird durch eine undurchlässige Blende mit zwei schmalen Spalten (Doppelspalt) geleuchtet. Dahinter wird der Strahl auf eine Wand projiziert und sichtbar gemacht. Dort entsteht ein Interferenzmuster, das durch die Beugung der Welle am Spalt entsteht und somit charakteristisch für die Welleneigenschaft der Lichtteilchen ist. Wenn das Licht nämlich ausschließlich aus Teilchen bestehen würde, könnte sich kein wellentypisches Interferenzmuster bilden. Stattdessen würden sich einfach die beiden Spalten, durch die das Licht gesendet wurde, auf der Wand abbilden.
https://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment#/media/Datei:Double-slit_de.svg
Die Darstellung der Teilcheneigenschaft des Lichts kann mit Hilfe des Photoeffekts erfolgen:
Hier wird in einer vakuumierten Photozelle ein Photon (Lichtteilchen) auf eine Kathode gestrahlt. Dabei geht die Energie der Photonen auf die Elektronen über und wirkt dort in Form von Austrittsarbeit und kinetischer Energie. Wenn die Energie der Photonen größer als die Bindungsenergie der Elektronen ist, können sich diese damit aus der Materie lösen.
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