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Immanuel Kant Schule Neumünster

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"Faszination der Quantenphysik" an der IKS

Prof. Dr. Helbig von der CAU zu Besuch in der Aula

2016-01-Helbig

Es ist schon eine kurze Weile her, war aber deswegen nicht weniger beeindruckend:

Am 13. Januar durften alle Physik-Schüler der Oberstufe – sowohl Schüler als auch Lehrer - an einem Vortrag von Herrn Prof. Helbig in der Aula teilnehmen. Zu Gast waren zusätzlich ein Physikkurs der Alexander von Humbold Schule mit ihrem Lehrer Herrn Protz sowie 2 Physikkurse vom Gymnasium aus Kaltenkirchen mit den Lehrkräften Frau Zehe-Schlüter und Herrn Gagelmann.

2016-01-Helbig

Herr Prof. Helbig referierte über das recht komplexe Thema „Quantenphysik“ und konnte es mit einer Bandbreite von Experimenten, viel Humor und für das Thema leicht verständlichen Formulierungen den Schülern näher bringen.

2016-01-Helbig

Für alle Physikinteressierten folgt hier eine Zusammenfassung der wesentlichen Vortragsinhalte von Jacob Jacobsen aus dem Physikprofil des Q1-Jahrgangs:

Der Begriff Quantenphysik fasst alle Phänomene und Effekte zusammen, die darauf beruhen, dass bestimmte Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur festgelegte diskrete Werte (siehe Quantelung). Dazu gehören auch der Welle-Teilchen-Dualismus, die Nichtdeterminiertheit von physikalischen Vorgängen und deren unvermeidliche Beeinflussung durch die Beobachtung. Quantenphysik umfasst alle TheorienModelle und Konzepte, die auf die Quantenhypothese von Max Planck zurückgehen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die klassische Physik z. B. bei der Beschreibung des Lichts oder des Aufbaus der Materie an ihre Grenzen gestoßen war.

Die Quantenphysik ist neben der Relativitätstheorie der zweite Grundpfeiler der modernen Physik. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der Atome und Moleküle) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B.SupraleitungLaserstrahlung, ...). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe (Farbe,Ferromagnetismuselektrische Leitfähigkeit, ...) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.

Insbesondere gehören aber auch zwei Teilbereiche der theoretischen Physik zur Quantenphysik: Die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie. Erstere beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern. Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein. Ihre einzige bekannte Schwäche besteht darin, dass sie sich nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens nicht mit der – ebenfalls gut bestätigten – allgemeinen Relativitätstheorie vereinbaren lassen.

Das Photon (von griechisch φῶς phōs, Genitiv φωτός phōtos ‚Licht‘) ist das Elementarteilchen (Quant) des elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht. Daher wird gelegentlich auch die Bezeichnung Lichtquant oder Lichtteilchenverwendet. In der Quantenelektrodynamik gehört das Photon als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen.

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung (selten Quantenkorrelation) liegt vor, wenn der Zustand eines Systems von zwei oder mehr Teilchen sich nicht als Kombination unabhängiger Ein-Teilchen-Zustände beschreiben lässt, sondern nur durch einen gemeinsamen Zustand. Die Beschreibung ist notwendig nichtlokal und verstößt damit gegen eine Grundannahme der klassischen Physik. Lokale Theorien sind nicht möglich, denn Messergebnisse bestimmterObservablen verschränkter Teilchen (z. B. Observable Spin) sind einerseits korreliert, das heißt, nicht statistisch unabhängig, auch wenn die Teilchen weit voneinander getrennt sind, andererseits verletzen die Messergebnisse die Bellsche Ungleichung, was jeglichen Erklärungsversuch über verborgene Variablenausschließt. Insbesondere sind die dem Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon zugrunde liegenden Annahmen falsch.

Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil an. Bei inAusbreitungsrichtung schwingenden Wellen, den Longitudinalwellen, gibt es keine Polarisation.

Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von der Art und Richtung der Polarisation aufteilen oder unterdrücken, heißen Polarisator.

Interferenz (lat. inter ‚zwischen‘ und ferire über altfrz. s’entreferir ‚sich gegenseitig schlagen‘)[1] beschreibt die Änderung der Amplitude bei der Überlagerung von zwei oder mehr Wellen nach dem Superpositionsprinzip – also die vorzeichenrichtige Addition ihrer Auslenkungen (nicht der Intensitäten) während ihrer Durchdringung. Interferenz tritt bei allen Arten von Wellen auf, also bei Schall-, Licht-, Materiewellen usw.

Löschen sich die Wellen dabei gegenseitig aus, so spricht man von destruktiver Interferenz. Verstärken sich die Amplituden, so spricht man von konstruktiver Interferenz. Ein Zeichen für das Auftreten von Interferenz sind abwechselnde Maxima und Minima in der Intensität. Dieses Folge von konstruktiver und destruktiver Interferenz wird als Interferenzmuster bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel sind die Streifen beim Doppelspaltversuch. Das Auftreten von Interferenz im physikalischen Experiment gilt als Nachweis für die Wellennatur der untersuchten Strahlung.