Einleitung

Liebe Studierende,

die Vorlesung Physik III behandelt die Themen Optik, Quanten- und Atomphysik, und statistische Physik. Dabei liegt der Fokus der Vorlesung darauf ihnen eine grundlegende Einführung in diese Themen aus der Sicht der Experimentalphysik zu geben. Dabei lassen wir uns häufig bei der Entwicklung der Grundlagen dieser Gebiete von experimentellen Beobachtungen leiten. In der Vorlesung führen wir zu diesem Zweck eine Anzahl von Demonstrationsexperimenten durch und diskutieren diese ausführlich.

Experimentelle Untersuchungen zu den Eigenschaften von elektromagnetischer Strahlung können uns als ein möglicher Leitfaden durch die Themen dieser Vorlesung dienen. Zur Einführung betrachten wir hier eine Reihe von experimentellen Situationen bei denen grundsätzlich verschiedene Eigenschaften von elektromagnetischer Strahlung zu Tage treten.

Wenn zum Beispiel Licht einer gut lokalisierten weit entfernten Quelle auf ein Objekt fällt, so wirft dieses einen scharf umrandeten Schatten auf einen Schirm der zur Beobachtung des vom Objekt gestreuten Lichts aufgestellt wurde. In diesem Fall können wir im Rahmen der geometrischen Optik, in der wir Licht als geometrische Strahlen betrachten, die Eigenschaften der auf dem Schirm beobachteten Abbildung verstehen.

Wenn nun in einem ähnlichen Experiment das selbe Licht auf ein kleines räumlich begrenztes Objekt fällt, dann beobachten wir, dass das Schattenbild auf dem Schirm nicht mehr scharf begrenzt ist, sondern signifikante Modulationen in der Intensität aufweist.

In diesem Fall zeigen beide Experimente in denen jeweils Licht der selben oder einer sehr ähnlichen Quelle auf ein absorbierendes Objekt fällt sehr unterschiedliche Ergebnisse. In der Experimentalphysik ist es grundsätzlich wichtig eine klare Vorstellung von der experimentellen Situation zu entwickeln, unter der ein gewisses physikalisches Phänomen beobachtet wird. Zur Erklärung des jeweiligen Experiments versuchen Physiker dann ein möglichst einfaches und korrektes Modell zu bestimmen, welches die Beobachtung korrekt beschreibt.

Im ersten beschriebenen Experiment reichen die Prinzipien der geometrischen Optik aus, um das beobachtete Phänomen gut zu beschreiben und basierend darauf tragfähige Vorhersagen zu treffen. Beim zweiten Experiment tritt auf relevante Art und Weise hervor, dass Licht sich wie eine elektromagnetische Welle verhält, die an einem Objekt gebeugt wird. Auf Grund des Phänomens der Interferenz führt dies auf dem Schirm zu grossen systematischen Veränderungen der beobachteten Intensität. In diesem Fall tritt also der Wellencharakter des Lichts in den Vordergrund.

Solche Aspekte des Strahlen- und Wellencharakters des Lichts werden im Optik Teil der Vorlesung diskutiert.

Wenn das Licht nun aber, statt mit einem gewöhnlichen Schirm aufgefangen zu werden, mit einem besonders empfindlichen Detektor gemessen wird, können auch noch weitere wichtige Eigenschaften zu Tage treten. Zum Beispiel führt das Auftreffen von Licht genügend hoher Frequenz auf eine metallische Oberfläche zur Auslösung von einzelnen Elektronen. Solche Experimente zu dem sogenannten Photoeffekt, bewegten Einstein dazu vorherzusagen, dass elektromagnetische Strahlung nicht nur Wellencharakter, wie man ihn in Beugungsexperimenten beobachten kann, zeigt, sondern dass diese Strahlung auch Teilcheneigenschaften besitzt. Diese Teilchen der elektromagnetischen Strahlung werden Photonen genannt. Beobachtungen des Teilchen- und Wellencharakters von elektromagnetischer Strahlung waren enorm wichtig bei der Entwicklung der Quantenmechanik.

Ob nun Teilchen- oder Welleneigenschaften des Lichts zu Tage treten hängt von den Eigenheiten des Experiments ab. Mit Licht kann man Experimente durchführen, die sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften des Lichtes in der selben Apparatur zeigen. Zum Beispiel ist es möglich mit einem sehr schwachen Lichtstrahl die Position des Auftreffens jedes einzelnen Photons auf einem Schirm zu detektieren, nachdem das Licht durch einen Doppelspalt getreten ist an dem Beugung auftritt. Dabei zeigt sich zunächst der Teilchencharakter des Lichts. Trägt man aber nun die Positionen der aufgetroffenen Photonen in einem Histogramm auf, so beobachtet man das von der Beugung aus der Wellenoptik bekannte Interferenzmuster. Die Quantenmechanik wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt, um zum Beispiel solche Phänomene erklären zu können.

Interessanterweise verhält sich nicht nur elektromagnetische Strahlung unter gewissen experimentellen Bedingungen wie ein Strom von Teilchen, sondern auch massebehaftete Teilchen, wie z.B. einzelne Elektronen, einzelne Atome oder gar noch massivere Objekte, zeigen Welleneigenschaften. Dies tun sie nicht nur in Experimenten, wie beim Doppelspalt, sondern in vielen andern physikalischen Situationen. Die Quantenphysik bildet dabei die Grundlage auf derer wir die Welleneigenschaften von Teilchen nutzen, um die Eigenschaften von Atomen zu erklären, zum Beispiel, dass einzelne Atome nur Licht bestimmter Frequenzen aussenden. In diesem Zusammenhang lassen sich mit Hilfe der Quantenphysik die Eigenschaften von Atomen im Rahmen der Atomphysik erklären. Die Einführung in die Grundlagen der Atomphysik nimmt in dieser Vorlesung einen wichtigen Platz ein.

Die Quantenphysik selber konfrontiert uns mit vielen neuen und interessanten Situationen, die wir heute anhand von Experimenten im Labor detailliert untersuchen können. Dabei ist es uns möglich Experimente mit einzelnen mikroskopischen Teilchen durchzuführen, die vor hundert Jahren noch reine Fantasie gewesen wären. Zum Beispiel wird Erwin Schrödinger zitiert gesagt zu haben, dass es ähnlich erfolglos sein würde Experimente mit einzelnen Atomen durchzuführen wie zu versuchen Ichthyosaurier im Zoo zu züchten. Heute werden solche Experimente in vielen Labors weltweit durchgeführt und helfen uns nicht nur die Quantenphysik besser zu verstehen sondern auch neue auf der Quantenphysik beruhende Technologien, wie zum Beispiel den Quantencomputer, zu entwickeln.

Bei der Erklärung der Interferenz einzelner Teilchen an einem Doppelspalt, stösst man zum Beispiel auf Aspekte, die einem schwer fallen mit den eigenen Erfahrungen aus der klassischen Physik in Einklang zu bringen. Bei diesem Experiment scheinen einzelne Teilchen auf dem Schirm aufzutreffen und dort detektiert zu werden. Auf welche Art und Weise diese Teilchen nacheinander einzeln durch beide Spalte des Doppelspalts treten können, so dass dabei trotzdem Interferenz auftritt, scheint auf den ersten Blick ungewöhnlich. In der Quantenphysik betrachten wir häufig solche ungewöhnlichen Situationen, die unseren klassischen Erfahrungen widersprechen.

Eine besondere Situation ergibt sich auch in dem Gedankenexperiment, welches heute unter der Bezeichnung Schrödinger’s Katze bekannt ist. Dabei hat Schrödinger die folgende, aus seiner Sicht absurde Situation beschrieben. Er betrachtete dabei eine Katze, die sich in einem abgeschlossenen Kasten befindet, der für den Beobachter nicht einsehbar ist. In dem Kasten befindet sich ein Mechanismus, der die Katze tötet, wenn ein einzelner radioaktiver Kern nach den Regeln der Quantenphysik zerfällt. Dies führt zu der ungewöhnlichen Situation, dass bevor der Beobachter den Kasten öffnet, um das Schicksal der Katze zu überprüfen sich diese in einem unbestimmten Zustand befindet. Die Katze ist entweder noch lebendig, wenn der Kern noch nicht zerfallen ist oder sie ist nicht mehr lebendig, wenn der Kern bereits zerfallen ist. Dieses Phänomen ist in der Quantenphysik unter der Bezeichnung Verschränkung bekannt. Wir werden eine Reihe solcher und ähnlicher Phänomene im Rahmen dieser Vorlesung erkunden.

Im Rahmen der Vorlesung werden wir des weiteren Aspekte der statistischen Physik erkunden. Diese sind auch im Kontext der Entwicklung der Quantenmechanik von grosser Bedeutung. Bei der Untersuchung der von heissen Körpern ausgesandten elektromagnetischen Strahlung, fiel zum Beispiel auf, dass deren Spektrum eine bestimmte universelle Frequenzabhängigkeit zeigte, die sich nicht klassisch erklären liess. Max Planck und Albert Einstein konnten diese Besonderheit des Spektrums erklären, in dem sie die Strahlung beschrieben als bestehend aus einer Verteilung von Photonen spezifischer Frequenzen, die nur von der Temperatur des strahlenden Objekts abhängt. Dabei ist es relevant, dass die Photonen Teilchen mit quantenmechanischen Eigenschaften sind. Die statistische Verteilung solcher Teilchen auf die verschiedenen möglichen Energien wird in der statistischen Physik unter Beachtung der klassischen und quantenmechanischen Eigenschaften der Teilchen ergründet. Mit Hilfe solcher statistischer Untersuchungen lassen sich die Eigenschaften z.B. von Gasen, von Photonen des Lichts und von Elektronen in Festkörpern erklären.