Wie die Quantenphysik entstanden ist

Den Begriff der Quanten hat der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900 eingeführt. Damit fand er die richtige Formel für das Aussenden und Aufnehmen von Licht. Demnach wird Licht nicht als kontinuierlicher Strom ausgesendet und aufgenommen, sondern in Form von „Päckchen“. Zu den Päckchen sagte Planck „Quanten“. Wichtig: Nur das Aussenden und Aufnehmen sollte in Form von Quanten geschehen. Er ging nicht davon aus, dass das Licht selbst aus Quanten besteht. Denn das würde bedeuten, dass Licht einen Teilchencharakter hätte. Planck war aber so wie alle anderen Physiker seiner Zeit völlig davon überzeugt, dass Licht ausschließlich aus Wellen besteht.

Ein Außenseiter namens Albert Einstein war dann im Jahre 1905 wesentlich mutiger. Damals arbeitete er als Sachbearbeiter im Patentamt von Bern. Mit der Annahme, dass das Licht selbst aus Quanten besteht, konnte er den Photoeffekt erklären. Zwar war die Skepsis zunächst groß. Denn Licht hätte dann sowohl einen Wellen-, als auch einen Teilchencharakter. Aber später zeigten andere Experimente ebenfalls den Teilchencharakter des Lichts. So wurde die Doppelnatur des Lichts, der sogenannte „Welle-Teilchen-Dualismus“, schließlich akzeptiert. Zu den Lichtteilchen sagte man später Photonen.

Ein anderes großes Rätsel jener Zeit war der Aufbau der Atome. Um 1910 machte dann der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford an der Universität von Manchester die entscheidenden Experimente. Er konnte zeigen, dass die Atome aus einem extrem winzigen Kern bestehen, der allerdings fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Umgeben ist der Kern von den Elektronen. Sie sollten um den Kern kreisen wie die Erde um die Sonne. Eine andere Form der Bewegung war damals nicht vorstellbar. Das führte die Physik in eine tiefe Krise. Denn die Elektronen haben eine elektrische Ladung und eine Kreisbewegung bewirkt, dass sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben. Das lässt die Elektronen in den Kern stürzen. Daher die tiefe Krise, denn es dürfte eigentlich gar keine Atome geben.

Im Jahr 1913 versuchte ein junger Mitarbeiter von Ernest Rutherford, der dänische Physiker Niels Bohr, die Stabilität der Atome zu erklären. Er übertrug die Idee der Quanten auf die Bahnen der Elektronen in den Atomen. Das bedeutet, dass es für die Elektronen keine beliebigen Bahnen um den Kern gibt, sondern dass nur bestimmte Bahnen erlaubt sind. Bohr unterstellte, dass diese erlaubten Bahnen stabil sind. Dass also die Elektronen auf diesen Bahnen keine elektromagnetische Strahlung abgeben. Ohne allerdings eine Erklärung liefern zu können, warum das so sein sollte. Trotzdem war sein Atommodell zunächst durchaus erfolgreich, weil sich mit ihm erstmalig einige fundamentale Beobachtungen erklären ließen.

Dann kam der französische Physiker Louis de Broglie. Er übertrug den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts auf die Elektronen in den Atomen. Sie sind also nicht nur Teilchen, sondern haben auch einen Wellencharakter. Wellen haben eine Wellenlänge. Die stabilen Bahnen der Elektronen zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Umfang einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht. Die Elektronen auf den stabilen Bahnen kann man daher als eine „stehende“ Welle betrachten, also als etwas Statisches. Das erklärt, warum sie keine elektromagnetische Strahlung abgeben.

Darauf aufbauend entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger 1926 seine nach ihm benannte Gleichung, die Schrödingergleichung. Ihre Lösungen sind sogenannte Wellenfunktionen. Erst mit ihnen konnte die Stabilität der Atome wirklich überzeugend erklärt werden.

Betrachten wir hierzu das einfachste Atom, das ist das Wasserstoffatom. Es besteht aus einem Proton als Kern und einem sich um das Proton bewegendes Elektron. Löst man die Schrödingergleichung für das Wasserstoffatom, so findet man, dass das Elektron nur noch bestimmte Energiewerte annehmen kann. Wichtig ist, dass es einen kleinsten Energiewert gibt. Also einen Energiewert, der nicht unterschritten werden kann. Der bedeutet, dass das Elektron stets einen gewissen Abstand vom Kern hat. Was das Wasserstoffatom stabil macht.

Allerdings ist das Verhalten des Elektrons völlig merkwürdig. Denn es hat keine feste Bahn mehr, es befindet sich vielmehr an sehr vielen verschiedenen Orten gleichzeitig und es hat sehr viele verschiedene Geschwindigkeiten gleichzeitig. Das nennt man Superpositionszustände. Sie stellen den Wellenaspekt der Materie dar und sind eines der beiden zentralen Merkmale der Quantenphysik. Das andere zentrale Merkmal sind die Wahrscheinlichkeiten. Da kommt der Teilchenaspekt der Materie ins Spiel. Das erläutere ich genauer auf der nächsten Seite.

Noch eine Randbemerkung: Alle auf dieser Seite genannten Physiker haben den Nobelpreis bekommen. Albert Einstein tatsächlich für die Erklärung des Photoeffekts und nicht, wie eigentlich zu vermuten wäre, für seine beiden Relativitätstheorien.