Entwicklung
der Quantenphysik
Projektseminar
für mittlere Semester insbesondere für das Lehramt (3 CP)
Donnerstag 14:15 - 16:00
Dozenten F. Eisele, J. Hüfner, WS 09/10
Voraussetzungen:
Experimentalphysik IV. Die theoretische Quantenmechanik ist
nützlich aber
nicht erforderlich.
Vorbesprechung am
Dienstag 7. Juli 14:15, AP, Tiergartenstrasse
4, SR 1. Stock
Erster Termin und endgültige Vortragseinteilung: Do
15.10., 14:15. Ort entnehmen sie bitte dem Vorlesungsverzeichnis.
Vortraege
und
Termine
Materialien des Seminars:
Einfuehrung
am 15.10.09 F.E.
Dekohaerenz
fuer die Schule J. Huefner
Zusammenfassungen
der Vortraege (password
geschuetzt)
Thema des Seminars:
Die geschichtliche Entwicklung der Quantenphysik
von Plancks
Strahlungsgesetz bis zur Quantenmechanik und deren Erfolgen im
Wechselspiel von
Experiment und Theorie.
Probleme der Interpretation bis zu modernen Experimenten zur
Verschränkung und der Dekohärenz.
Behandelt werden folgende Themenkreise:
1.
Quantenstatistik (3
Vorträge, Betreuer: F.E.))
- Die Entstehung des Plancksches Strahlungsgesetzes, Die Messungen des Spektrums der Hohlraumstrahlung und Plancks Interpretation .
- Einsteins Idee der Photonen, Messung des Photoeffekts durch Millikan und Comptoneffekt
- Die spezifische Wärme von Festkörpern: Einstein (1907), Messungen bei tiefen Temperaturen, Debye‘sche Theorie (1912).
2.
Atombau und
Spektrallinien (3 Vorträge , Betreuer J.H.)
(Titel eines
berühmten Buches von Sommerfeld 1919 (1.Aufl.) bis 1924 (4.
Auflage) in
dem die
Erfolge und Probleme der ‚älteren’
Quantentheorie dargestellt wurden)
- Das Bohr‘sche Atommodell und dessen Erfolge – Wasserstoffatom und die Messung der Serien von Spektrallinien
- Wege zum Verständnis des Atombaus (Periodensystem)
* Normaler und anormaler Zeemaneffekt, Multipletts, Stern-Gerlachversuch
- Spinhypothese und Pauliprinzip ,
Periodensystem
3.
Quantenmechanik
(2 Vorträge, Betreuer: J.H.)
- Materiewellen: de Broglie, Thomsons Elektroninterferenzen, Doppelspaltexperiment mit Teilchen
Schrödingergleichung (1926) und
Bornsche
Interpretation der Wellenfunktion.
- Frühe Erfolge der Quantenmechanik (1926-1928) ; insbesondere
* Tunneleffekt, Alphazerfall, Nukleosynthese
* Chemische kovalente Bindung: H2 Molekül …
4. Messprozess und neuere Entwicklungen‚ (Paradoxa’ und deren experimentelle Verifizierung in modernen
Experimenten) (4 Vorträge, Betreuer: F.E. und J.H.)
- Heisenbergsche Unschärferelation (1927), Kopenhagener Deutung des Messprozesses
- Schrödingers Katze und moderne Experimente zur Dekohärenz
-
Einsteins ‚spukhafte Fernwechselwirkung’
(EPR-Effekt) : vom Gedankenexperiment zur experimentellen Realisierung
-
Bose-Einstein Statistik (1924) und
Bose-Einstein
Kondensation (1995)
-
( Dekohärenz:
der
Übergang von der Quantenphysik zur klassischen Physik )
Methode des
Semninars:
Im Vordergrund soll die Entwicklung des
physikalischen
Verständnisses im Zusammenspiel von Experiment und Theorie stehen
inklusive der Irrwege. Ziel ist es nicht
zu lernen wie man Quantenmechanik auf physikalische Probleme
‚anwendet’ sondern was
die Quantenmechanik ‚bedeutet’.
Dies sind die Fragen, die Lehrer in der Schule gestellt bekommen. Daher
werden
im 4. Themenbereich
die ‚Interpretationsprobleme’ der
Quantenmechanik und deren Beantwortung und Nachprüfung durch
ausgewählte moderne Experimente behandelt.
Wenn
möglich werden jeweils die
wichtigsten Experimente zu einem
Themenbereich besprochen, wobei im Themenbereich 4 diese
Experimente erst in
den letzten Jahren gemacht wurden. Es soll keine anspruchsvolle
Mathematik
gemacht werden – formale Aspekte
der Quantentheorie werden nicht
behandelt.
Eine
Gruppe von jeweils 2 bis 4 Studenten übernimmt eine Gruppe von
Einzelthemen und arbeitet
sich gemeinsam darin ein. Von
den
Dozenten gibt es als Starthilfe Basisliteratur und
Vorschläge zu
Vortragsinhalten und Schwerpunkten. Diese werden endgültig
gemeinsam
von
den Studenten und dem betreuenden Dozenten festgelegt. Jeder Student
hält
einen Probevortrag in dieser Gruppe.
Ausarbeitung und Vortrag:
Jeder Student muss eine schriftliche Ausarbeitung
seines
Vortrags abgeben, um einen Schein zu erhalten. Nach jedem Vortrag wird
eine
Evaluation des Vortrags durch alle Teilnehmer durchgeführt
(Feedback).
Außerdem werden alle Vorträge zur Eigenkontrolle auf Video
aufgenommen.
Der Zeitaufwand für dieses Seminar ist höher als bei einem normalen Studentenseminar, dafür gibt es aber auch drei (statt 2) Kreditpunkte.
Literatur:
1.
Wissenschaftsgeschichte
Simonyi, Karoly, Kulturgeschichte der Physik, Von den Anfängen bis heute. Enthält auch viel Physik, Zentralbibliothek
Nobel Lectures seit 1901, enthält die Originalreden plus Würdigungen der Preisträger, Zentralbibliothek,
Polkinghorne, John: Quantentheorie, Eine Einführung, Reclam, Stuttgart 2006
Sehr lesenswert, wenige Formeln. Preiswertes Büchlein (4,60 Euro), das jeder angehende Lehrer besitzen sollte.
Waerden, L.
van, Sources of quantum mechanics
Mehra,
Jagdish, The historical development of quantum theory (6 Bände,
z.T. im
Kirchhoff Institut oder in der Zentralbibliothek)
Bell, John, Speakable and unspeakable in quantum mechanics (Sammlung von sehr originellen Aufsätzen, Zentralbibliothek)
Hund, Friedrich: Geschichte der
Quantentheorie, BI Wissenschaftsverlag, Mannheim, 1975
(Physikalisches Institut)
2. Einführende Artikel:
‚100 Jahre Quantenphysik’, Physikalische Blätter, Dezember 2000
‚Max Planck’, Physik Journal März 2008
Arndt, Markus und Zeilinger, Anton: Wo ist die Grenze der Quantenwelt, Physikalische Blätter, März 2000, S.69
Strunz, Walter, T. et al.: Dekohärenz in offenen Quantensystemen, Physik Journal, November 2002, S. 47
Zurek, Wojciech: Decoherence and the
transition from quantum to classical, Physics Today, Oct.1991, S. 36
3.
Originalveröffentlichungen
Die Artikel in den Annalen der Physik sind komplett im Internet verfügbar unter
http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/cb34462944f/date
Originalarbeiten in amerikanischen Zeitschriften sind weitgehend
verfuegbar unter:
Artikel in
PhysicaL Review und anderen amerikanischen Zeitschtriften
hierzu muessen sie sich allerdings durch Einwahl in das
Universitaetsnetz (VPN client von zu Hause) autorisieren.
Arbeiten und Vorträge von Max Planck sind zu finden in:
Max-Planck-Festschrift 1958, Bereichsbibliothek Physik.
Alle Arbeiten von Albert Einstein sind abgedruckt unter:
The
collected papers of Albert Einstein,