R
Grundschule Mathematik I Mathematik II Physik Chemie Wissen
Kurze Worte Worte nach Alter Terme Rechner
Mathfeed Physfeed Philfeed
Das Lexikon Die Mission Die Autoren Copyright Impressum
☰


Quantensprung


Physik


Basiswissen


In der Physik bezeichnet das Wort Quantensprung einen übergangslosen Wechsel zwischen zwei Zuständen[2]. Der Begriff wurde vor allem in den 1920er Jahren verwendet[2] und sehr kontrovers diskutiert.

Das Bohrsche Atommodell als Ausgangspunkt


Nach dem Atommodell von Niels Bohr aus dem Jahr 1913 gibt es für Atome nur einige ausgewählte längere Zeit stabile Energiezustände. Albert Einstein griff den Gedanken im Jahr 1917 auf[3], als er in Berlin lebte. Den Unterschieden zwischen diesen diskreten, das heißt sprunghaft unterschiedlichen Energiezuständen entsprechen die aufgenommenen und abgestrahlen Pakete an Lichtenergie.

1.0 Zur Zeit des Ersten Weltkriegs hatte sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass in eine Atom oder Molekül nur diskrete innere Zustände der Energie längerfristig stabil sind.

Einstein ging dabei davon aus, dass ein Wechsel zwischen zwei Zuständen eine geringe Zeit in Anspruch nehmen dürfe[4], was über 100 Jahre später auch bestätigt wurde[5].

Sprünge mit Zeit: das Problem der scharfen Spektrallinien


Albert Einstein ließ die Möglichkeit offen, dass ein Quantensprung Zeit benötigen könnte[4].

Gegen einen allmählichen, zeitbehafteten Übergang soll Werner Heisenberg zufolge der Physiker Erwin Schrödinger aber folgenden Zweifel geäußert haben: "Wenn er allmählich erfolgt, so muß das Elektron doch allmählich seine Umlauffrequenz und seine Energie ändern. Es ist nicht zu vestehen, wie es dabei noch scharfe Frequenzen der Spektrallinien abgeben soll.[6]"

2.0 Ein zeitbehafteter Übergang dürfte keine scharfen Spektrallinien ergeben. Diese aber werden beobachtet.

Die Spektrallinien[7] zeigen, dass bestimmte Atome oder Moleküle Licht immer nur in eng definierten Farbbereichen aufnehmen oder abgeben. Diesen Farben entsprechen wiederum eng defenierte Mengen an Energie. Das führt zu der Vorstellung, dass die Übergänge zwischen Energiezuständen plötzlich ohne Zeitverzug, das heißt instantan erfolgen. Diese Plötzlichkeit passt zu einer eher strengen Deutung des Wortes Quantensprung.

Sprünge ohne Zeit: das Problem der Vorstellbarkeit


Nimmt man zur Erklärung der scharf voneinander abgegrenzten Spektrallinien also an, dass die Übergänge zwischen verschiedenen Energiestufen in einem Atom oder Molekül plötzlich ohne Zeitbedarf erfolgen, so tritt ein neues Problem auf.

3.0 "Geschieht der Übergang aber plötzlich, sozusagen in einem Sprung, so kann man zwar unter Anwendung der Einsteinschen Vorstellungen von den Lichtquanten zur richtigen Schwingungszahl des Lichtes kommen, aber man muß dann fragen, wie sich das Elektron beim Sprung bewegt.[8]"

In einem nachgestellten Dialog zwischen Erwin Schrödinger (die Sprünge brauchen Zeit) und Bohr (die Sprünge können ohne Zeitbedarf ablaufen) erwidert Bohr, dass man sich eine Elektronenbewegung ohne Zeitbedarf zwar nicht vorstellen könne, es sie aber dennoch geben könnte. Darauf antworter Schrödinger wiederum "Wenn es Elektronen im Atom gibt, die Teilchen sind, so wie wir uns das bisher vorgestellt haben, so müssen sie sich auch irgendwie bewegen.[10]"

Der Quantensprung als ein Ausgangspunkt der Kopenhagener Deutung


Die hier beispielhaft angedeuteten unvereinbaren Vorstellungen über die Vorgänge in einem Atom führten in den Jahr 1926 bis 1927 zu heftigen, auch menschlich wohl schwierigen Diskussionen zwischen Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger und einiger anderen.[13]

4.0 Die hier angedeuteten Widersprüche führten zu starken Kontroversen zwischen den führenden Physikern.

Niels Bohr kam zu dem Schluss, dass zur Beschreibung der Wirklichkeit auch widersprüchliche Modelle nebeneinander bestehen dürfen[11]. Werner Heisenberg gestand ein, dass man auf eine anschauliche Beschreibung der Wirklichkeit wohl verzichten müsse. Dieses Eingeständnis bildete den Kern der Kopenhagener Deutung ↗

Fußnoten