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Forschendes Lernen im Physik-UR

Würzburger Quanten- physik- Konzept

Grundfakten der Quanten- physik

Materialien Physik-UR

Physika- lische Analysen

Im- pres- sum

Kommen- tare und Wünsche

© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2014

Glossar

 Wissenschaftliche Experimente

Quantenphysik für die Schule   © Horst Hübel Würzburg 2005-2009  

Das Würzburger Quantenphysik-Konzept

Schulversuche

Grundfakten

Hinweise:  

  1. Korrekte Darstellung mathematischer Symbole unter Netscape / Mozilla ab Version 6
  2. Eine weitgehend identischen Druckversion dieser Texte liegt jetzt in gedruckter Form vor.
  3. Ebenso liegen Unterrichtsmaterialien und ein Schülerbuch vor.

Übersicht über das Lernsystem zum  Würzburger Quantenphysik-Konzept

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I Grundlagen der Quantenphysik

Hier sollen ohne Formalismen Inhalte der Quantenphysik bereit gestellt werden, die m.E. einem Lehrer vertraut sein sollten, der Quantenphysik am Gymnasium unterrichtet. Leider wird m.E. an der Schule häufig auf der Basis der Kenntnisse von 1926 unterrichtet (bestenfalls), oder es wird in neueren Darstellungen für die Schulphysik dem Formalismus der Schrödinger-Gleichung für ein einziges Teilchen - wenn auch mit vereinfachter Mathematik - m.E. zu viel Wert gelegt. Der Verfasser hat sich bemüht eine Darstellung zu finden, die kompatibel ist mit offiziellen formalen Darstellungen der Quantentheorie. Dabei werden auch modernste Entwicklungen mit einbezogen, jedoch ohne Darstellung von irgendeinem Formalismus.

Die Texte könnten auch sinnvoll sein für Studenten und Schüler, die sich ein "Verständnis" der Quantenphysik erarbeiten wollen, das über den Formalismus hinausgeht, auf ihm basiert, aber ihn nicht darstellt.

Es wird stets Bezug genommen auf eine Zusammenfassung in Form von GRUNDFAKTEN DER QUANTENPHYSIK, die sich an den "WESENSZÜGEN" von Küblbeck und Müller orientiert, aber doch von ihnen abweicht. Häufig hat sich der Autor auch an Zeilingers "EINSTEINS SCHLEIER", an Ficks "Einführung in die Grundlagen der Quantentheorie" und an Sakurais "Modern Quantum Mechanics" orientiert. Beim "Würzburger Quantenphysik-Konzept" handelt es sich um ein didaktisches Konzept. Seine Besonderheiten können Sie hier nachlesen. An der Quantenphysik selbst darf natürlich nicht gerüttelt werden.

I.1 Historische Argumente für das Photonenbild

Hier werden Sie an die Argumente erinnert, mit denen Ihnen das Photonenbild von Licht möglicherweise vorgestellt wurde.

I.2 Licht als klassische elektromagnetische Welle oder Strom von Photonen?

Hier werden neuere Versuche diskutiert, die das Photonenbild besonders nahelegen, insbesondere Versuche mit einzelnen Photonen. Sie erkennen, dass Teilchen in der Quantenphysik nicht aufgeteilt werden können, sondern immer nur als Ganzes auftreten, dass sie dann aber dem "objektiven Zufall" unterliegen.

I.3 Der Doppelspalt-Versuch - nicht nur mit Licht - und seine vorläufige Deutung

Hier wird der klassische Doppelspalt-Versuch diskutiert, zunächst wie er mit klassischen Wellen beschrieben wird. Dann aber auch, dass er sogar mit Elektronen, Atomen, Molekülen etc. durchgeführt werden kann. Es wird der Doppelspalt-Versuch mit einzelnen Teilchen beschrieben und das allmähliche Entstehen der Interferenzfigur aus vielen einzelnen Teilchennachweisen. Die Bornsche Wahrscheinlichkeitsdeutung wird präsentiert. Es werden Gründe überlegt, die belegen, dass Elektronen, Photonen etc. weder klassische Teilchen noch klassische Wellen sind. Es wird dann eine vorläufige und unvollständige Deutung gegeben in dem Sinne, dass man den Versuch vordergründig mit einem "Modell" der Wirklichkeit, einem Wellenbild kombiniert mit einem Teilchenbild, beschreiben kann. Das wird dann präzisiert zur immer noch vorläufigen "Modellphilosophie" der Quantenphysik.

I.4 Genauere Analyse des Doppelspalt-Versuchs: Grundfakten der Quantenphysik

Aus der Frage, durch welchen der beiden Spalte das in einem bestimmten Punkt der Interferenzfigur nachgewiesene Teilchen getreten ist, wird abgeleitet, dass sich Welcher-Weg-Information und Interferenz gegenseitig ausschließen. Dies führt zu einigen Grundfakten der Quantenphysik. U.a. ergibt sich eine neue Deutung der Interferenz als eine Eigenschaft von Teilchen bei nicht unterschiedenen klassisch denkbaren Möglichkeiten.

I.5 Vertiefung und tiefergehende Deutung: Der quantenphysikalische Messprozess

Der Messprozess wird stellvertretend für andere Eigenschaften mit der Polarisation von Photonen (und Elektronen) studiert. Daraus werden weitere Grundfakten der Quantenphysik entwickelt. Insbesondere werden komplementäre Eigenschaften von Quantensystemen diskutiert.

I.6 Tiefergehende Deutung des Doppelspalt-Versuchs und der quantenphysikalischen Grundfakten

Die bisherigen Kenntnisse werden verallgemeinert zu einem kompletten Satz der quantenphysikalischen Grundfakten. Es wird ein Modell zum Verständnis der Erscheinungen infolge der Grundfakten präsentiert. Ferner werden Zustände eingeführt, die eine vereinfachte Sprechweise erlauben und geklärt, was in der Quantenphysik überhaupt unter einem Teilchen zu verstehen ist. Unser Verständnis der Quantenwelt wird mit Hilfe von "verschränkten Zuständen" auf den Prüfstand gestellt. Es ergibt sich endgültig, dass für sie ein naives Wellenbild und ein naives Teilchenbild, und damit die "Modellphilosophie", völlig versagen.

I.7 Licht und Materie kommen in Teilchen-Zuständen vor - aber nicht immer !

In diesem Kapitel wird noch einmal der Teilchen-Begriff in der Quantenphysik vertieft und die herkömmliche Auffassung in Frage gestellt, und zwar am Beispiel von Laser-Zuständen und Zuständen bei Bose-Einstein-Kondensaten und Atomlasern. Es ergibt sich auch ein Verständnis dafür, weshalb es naheliegend war, das Konzept von klassischen elektromagnetischen Wellen zu entwickeln, obwohl sich auch Licht oder Radiostrahlung gemäß der Quantentheorie verhält.

I.8 Werden Sie fit in der Interpretation von moderneren Versuchen der Quantenphysik

Hier trainieren Sie, mit den "Grundfakten" eine Reihe neuerer Versuche zur Quantenphysik aus der Forschung zu interpretieren.

I.9 Die Heisenbergsche Un-be-stimmtheitsrelation (HUR)

Die HUR wird vorbereitet durch klassische Analoga, bei denen "Unschärfen" noch als Bereiche der Unkenntnis oder Schwankungsbereiche aufgefasst werden können. Durch einige halbklassische Betrachtungsweisen nähern Sie sich der eigentlichen HUR. Es wird klargestellt, dass hier "Unschärfen" in Wirklichkeit "Un-be-stimmtheiten" sind, die die Bereiche angeben, in denen gleichzeitige Eigenschaften eines Quantensystems un-be-stimmt sind, die charakterisieren, wie weit Eigenschaften eines Quantensystems fehlen. Vor allem geht es in diesem Kapitel um Anwendungen der HUR.

Literatur

I I Atomphysik

in Vorbereitung