Einführung in die Quantenphysik mit Licht R. Erb
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- Ilse Fanny Lorentz
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1 Einführung in die Quantenphysik mit Licht R. Erb 1
2 Quantenphysik: Problemstellung Um die Jahrhundertwende und in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zeigten überraschenderweise viele (...) Entdeckungen, dass die Gesetze der klassischen Physik auch bei der Anwendung auf mikroskopische Systeme ihre Gültigkeit verlieren. Diese Feststellung hatte (...) dramatische Konsequenzen (...): Mikroskopische Systeme wie beispielsweise Atome und Atomkerne lassen sich erst durch eine neue Theorie richtig beschreiben, die als Quantentheorie oder auch als Quantenmechanik bezeichnet wird. Ihr Einfluss auf die weitere Entwicklung unseres Naturverständnisses (...) kann gar nicht als hoch genug eingeschätzt werden. Paul A. Tipler. Physik. Heidelberg; Berlin; Oxford: Spektrum,
3 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 3
4 Übergang oder Wechsel? Wie soll der Übergang von der klassischen Physik zur Quantenphysik im Unterricht erfolgen? Verdeutlichen, dass Quantenobjekte Behutsame Weiterentwicklung ermöglichen Eigenschaften haben, die es auch in der klassischen Physik gibt; z. B. Interferenz zeigen. Tiefe des Wechsels betonen Verdeutlichen, dass Quantenobjekte Eigenschaften haben, die es in der klassischen Physik nicht gibt; z. B. Quantisierung bestimmter Größen. 4
5 Übergang oder Wechsel? An welchem Beispiel soll das Neue der Quantenphysik aufgezeigt werden? Elektronen Aus dem Physikunterricht zuvor schon als Ladungsträger ( Teilchen ) bekannt (Millikan 1909). Licht (Photonen) Aus dem Physikunterricht zuvor schon als (elektromagnetische) Welle bekannt. 5
6 Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik (MILQ) Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos, Josef Küblbeck: Wesenszüge Küblbeck, Josef (2004). Was ist wesentlich an der Quantenphysik? In: Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule, 53/1, 2-4. Berliner Konzeption Helmut Fischler. Quantenphysik in der Schule, Weitgehend voraussetzungsfreie Modellbildung: Zeigerformalismus Erb, Roger (1994). Optik mit Lichtwegen. Magdeburg: westarp Erb, R- Schön, L. (1997). Ein Blick in den Spiegel - Einblick in die Optik. In: Fischer, H. E. (Hg.). Handlungs- und kommunikationsorientierter Unterricht in der Sek.II. Ferd. Dümmlers Verlag, Bader, Franz (1996). Eine Quantenwelt ohne Dualismus. Hannover: Schroedel Werner, Johannes (2000). Vom Licht zum Atom: ein Unterrichtskonzept zur Quantenphysik unter Nutzung des Zeigermodells. Berlin: Logos. Erb, Roger. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. In: Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule. vorauss > Material 6
7 Grundproblem Schülerinnen und Schüler lernen die Sätze, die zur Quantenphysik gehören, aber rekonstruieren nicht das Konzept. Michael Lichtfeldt. Schülervorstellungen in der Quantenphysik und ihre möglichen Veränderungen durch Unterricht Heute: Neue Medien, neue Experimente? Die Quantenphysik erscheint Schülerinnen und Schülern nicht zwingend notwendig: Die Interferenzfähigkeit von Elektronen verblasst vor dem Bild eines klassischen Teilchens. Die Interferenzfähigkeit von Licht kann mit klassischen Wellen erklärt werden. Die Quantisierung der Lichtenergie erschließt sich nur umständlich (Photoeffekt, Single-Photon-Counting). Bewusster Wechsel Die Gefahr, das Elektron als klassisches Teilchen anzusehen, wiegt schwerer. 7
8 Licht Quantenphysik 8
9 Modelle vom Licht 9
10 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 10
11 Geometrische Optik: Experimente 11
12 Optische Abbildung f f 12
13 Hohlspiegel 13
14 14
15 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 15
16 Daumenspalt 16
17 Wellenoptik 17
18 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 18
19 Hinführung zum Photoeffekt: Experimente 19
20 Fotopapier 20
21 Photopapier 21
22 Aufgaben 22
23 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 23
24 Zeigerformalismus Für die Berechnung der Lichtintensität an einem Empfängerpunkt sind alle denkbaren Lichtwege zwischen einer Quelle und einem Empfänger zu berücksichtigen. Die Intensität, die sich dadurch ergibt, entspricht der Wahrscheinlichkeit, Photonen zu detektieren. 24
25 Zeigerformalismus 1. Für alle Lichtwege werden Zeiger mit gleicher Länge gezeichnet. 2. Ein Zeiger wird entsprechend der Länge des jeweiligen Lichtwegs im Uhrzeigersinn gedreht. Er erfährt genau eine Umdrehung, wenn das Licht einen Weg seiner Wellenlänge zurückgelegt hat. 3. Schließlich werden alle Zeiger wie Vektoren addiert. Das Quadrat der resultierenden Zeigerlänge gibt die Wahrscheinlichkeit an, im Empfänger ein Photon zu erhalten. 25
26 Dreifachspalt Erb R. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. PdN-Physik in der Schule 61, Heft 4,
27 Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt 27
28 Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt Lichtquelle Spaltblende Schirm 24 Zeiger y x 28
29 Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt 29
30 Zeigerformalismus: Beugung am Einfachspalt Poisson 30
31 Fresnel sche Beugung Spaltbreite 3,2 mm 31
32 Fresnel sche Beugung Spaltbreite 0,8 mm 32
33 Fresnel sche Beugung Spaltbreite 1,2 mm 33
34 Poisson scher Fleck 34
35 Poisson scher Fleck 35
36 Poisson-Fleck 36
37 Poisson scher Fleck 37
38 Überblicksseiten 38
39 1. Problemstellung 2. Klassische Optik 3. Wellenoptik 4. Lichtquanten 5. Zeigerformalismus 6. Quantenphysik: Strukturelemente 39
40 Quantisierung: Energie kommt nicht in beliebig kleinen Mengen vor, sondern in kleinsten Portionen (genauer: wird bei der Wechselwirkung von Licht und Materie in kleinsten Portionen übertragen). Auch Größen wie Impuls und Ladung sind quantisiert. Wahrscheinlichkeiten: Für das Auftreffen eines Quantenobjekts an einer bestimmten Stelle in einem bestimmten Zeitintervall kann nur eine Wahrscheinlichkeit angegeben werden. Fundamentalprinzip: Quanten zeigen Interferenz, wenn sie auf mehreren Wegen zum Empfänger gelangen können und keine Information darüber möglich ist, welchen Weg sie genommen haben. Verschränkung: Ein System aus zwei Quantenobjekten kann verschränkt sein. Die Messung eines Zustands von einem der beiden Quantenobjekte gibt dann Auskunft über den Zustand des zweiten, auch wenn sich die beiden Objekte weit voneinander entfernt haben. Abbildungen und Software zur Berechnung der Beugungsfiguren aus: Physik Oberstufe; Cornelsen-Verlag,
41 Fundamentalprinzip: Ein Photon interferiert nur mit sich selbst 41
42 Photoeffekt - Verschränkung Photoeffekt - experimentell leistbar - Interpretation schwierig Wechsel erwünscht - Übergang möglich Verschränkung - experimentell kaum leistbar - Interpretation aufwendig, aber im Grundsatz einfach Wechsel notwendig 42
43 43
44 Zusammenfassung zwei verschränkte Photonen bleiben eins, auch bei sehr großem Abstand aufwendige Berechnung, aber elementar nachvollziehbar mathematische Knobelei Erwin Schrödinger: Verschränkung ist das wesentliche Element der Quantenphysik. 44
45 Vertiefung 1 45
46 Zwei Photonen sind eins Z Z 12 in Grad Z1 Photon 1 Photon 2 Z2 Z in Grad 46
47 Wie aber wäre das mit unverschränkten Photonen? Ist Verschränkung zwingend notwendig? Das lässt sich berechnen, indem man andere Annahmen macht, z. B. Paare von gleichartig polarisierten Photonen. Die Berechnung des Ergebnisses ist einfach - aber aufwendig. 47
48 Strukturelemente Erwin Schrödinger: Verschränkung ist das wesentliche Element der Quantenphysik. Zeilinger, A. (2007). Einsteins Spuk. München: Goldmann. Scarani, V. (2007). Physik in Quanten. München: Elsevier. Erb, Roger. Simulation verschränkter Photonen. PhyDid 2/8 (2009), Erb, Roger. (2012). Das Zeigermodell in der Optik. In: Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule. vorauss Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos, Buchabbildungen: Cornelsen Physik Oberstufe. (2008). Berlin: Cornelsen. 48
49 Vertiefung 2 49
50 50
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