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


Joerg.Huefner@urz.uni-heidelberg.de
eisele@physi.uni-heidelberg.de
 

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, Debyesche 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, Priceton University press,   Bereichsbibliothek Physik