Was sind die definitiven Experimente/Phänomene, die die Quantenmechanik motivieren?

Ich werde die wichtigsten experimentellen Daten, die zur Entstehung der Quantenmechanik geführt haben, in der chronologischen Reihenfolge ihrer Erklärungen beschreiben, nicht in der Reihenfolge der Experimente.

Die Idee der Quanten wurde ursprünglich durch die Theorie der Schwarzkörperstrahlung motiviert. Plank leitete seine Formel ab, indem er andere Formeln verallgemeinerte, die aus Experimenten stammten. Um seine empirische Formel zu erklären, musste er die Energiequanten erfinden (1900).

Ein weiteres Phänomen, das von der klassischen Physik nicht erklärt werden konnte, war der photoelektrische Effekt. (Dies ist wahrscheinlich das einfachste Experiment, das Anfängern erklärt werden kann. Das Verständnis dieser Arbeit von Einstein erfordert fast keine Vorkenntnisse in Physik oder Mathematik, im Gegensatz zu anderen hier erwähnten Arbeiten). Einstein erklärte, was wir beim photoelektrischen Effekt beobachten, indem er Planks Idee der Quanten verwendete und sie auf elektromagnetische Strahlung ausdehnte (1905).

Andere experimentelle Daten, die sich einer klassischen Erklärung widersetzten, waren Spektren von Atomen. Bohr verwendete die Idee der Quanten und erklärte die Balmer-Linien des Wasserstoffs. Balmer entdeckte 1885 seine empirische Formel für die Spektrallinien und Bohr „erklärte“ sie 1913.

Dies sind drei Arten von experimentellen Daten, aus denen historisch gesehen die Quantenmechanik geboren wurde. Alle drei genannten Physiker (Planck, Einstein und Bohr) wurden für diese Entdeckungen schließlich mit Nobelpreisen ausgezeichnet, aber es dauerte einige Zeit, bis die Quantenmechanik in den 1930er Jahren ihre moderne Form erhielt (Heisenberg, Born, Jordan, Dirac, Schrödinger und von Neumann).

Schlitzexperimente spielten später als die drei oben erwähnten experimentellen Daten eine Rolle. Es war für Physiker nichts Ungewöhnliches, seit dem 19. Jahrhundert an Schlitzexperimenten mit Licht zu arbeiten. Aber die Entdeckung der Elektronenbeugung im Jahr 1924 bestätigte die Quantenmechanik.

Noch wichtiger war das Stern-Gerlach-Experiment (1922), das zur Entdeckung des Spins führte. Dies führte schließlich zur Erklärung der wichtigsten experimentellen Tatsache aller genannten: des Periodensystems.

Hinzugefügt am 3.4.2021. Eine herausragende Darstellung der Geschichte der Spektrallinien ist der Artikel von S. Sternberg, A history of 19th century spectroscopy (einer der allerbesten Artikel zur Wissenschaftsgeschichte, den ich kenne). Es ist als Anhang F zu seinem Buch "Gruppentheorie und Physik" erschienen.

Über Stern-Gerlach (und Einstein-Podolsky-Rosen) gibt es ein nettes Buch von Jim Baggott, „Die Bedeutung der Quantentheorie“.

Leider kenne ich keine gute Darstellung von Plancks Entdeckung.

Darauf gibt es natürlich keine einfache Antwort, um die Jahrhundertwende ging es ziemlich schnell. Im Folgenden werde ich einen Überblick darüber geben, was vor sich ging und welche Experimente durchgeführt wurden, aber ich muss mich für Einzelheiten auf substanziellere Quellen verlassen.

Experimentelle Beweise beginnen, würde ich behaupten, mit Hertz und Wallachs in den 1890er Jahren. (Experimente mit Schwarzkörperstrahlung wären natürlich eine solidere Grundlage, aber die Ergebnisse dieser Experimente waren weniger erschreckend, obwohl sie es bei sorgfältigerer Untersuchung möglicherweise gewesen wären.) Hertz entdeckte eine Wirkung des ultravioletten Lichts von einem Funken auf die Intensität eines zweiten Funkens in der Nähe, den sein Laborassistent (und eine Art Nachfolger) Wallachs weiter untersuchte. Dieses Phänomen wurde ursprünglich als Wallachs-Effekt bezeichnet, aber heute erkennen wir es als frühen Beweis für den photoelektrischen Effekt an. Lenard würde die experimentellen Beweise, die dieses Phänomen stützen, weiter vorantreiben, und von dort kam das Verhalten, das Einstein in seiner Arbeit von 1905 zu erklären versuchte.

Die Spektroskopie, die Untersuchung der Spektrallinien von Elementen, war eines der spannendsten Forschungsgebiete. Indem wir eine Probe von zB Wasserstoff nehmen, der dazu angeregt wird, sichtbares Licht zu emittieren, haben wir unsere Quelle; Das Licht von der Quelle wird dann auf ein Beugungsgitter gerichtet, und das resultierende Spektrum wird auf einer Art Farbskala betrachtet. Solche Experimente waren beliebt und die Quelle vieler theoretischer Arbeiten. Besonders bemerkenswert ist die Entwicklung der Balmer-Reihe für die Orte der Spektrallinien von Wasserstoff, aber auch andere Phänomene wie die Spektrallinienaufspaltung (Zeeman-Effekt) würden einen großen Einfluss haben.

Experimente mit Kathodenstrahlen waren die Grundlage vieler wichtiger Entdeckungen, aber am bedeutendsten ist das Experiment von JJ Thompson, das die Tatsache demonstriert, dass die „Strahlen“ tatsächlich elektrische Ladung enthielten und somit der Fluss von Materie (Elektronen) waren. Die Untersuchung von Röntgenstrahlen entwickelte sich ebenfalls aus Experimenten mit Kathodenstrahlröhren und öffnete in Kombination mit den neu entdeckten Phänomenen der Radioaktivität die Tür zu weit ausgefeilteren Modellen der Atomstruktur. Solche Modelle sind wesentlich für die Entwicklung der Quantentheorie.

Etwa zur gleichen Zeit (spätes 19. Jahrhundert bis 1900-1901) zeigten experimentelle Daten zur Schwarzkörperstrahlung Grenzen der damaligen Modelle, insbesondere des Weinschen Gesetzes, und als Reaktion darauf entwickelte Planck seine berühmte Quantentheorie. Dies ist ein Fall, in dem vorschnelle Annahmen getroffen werden mussten, um ein geeignetes Modell der Realität zu erhalten, aber Planck erhob keine Behauptungen über die physikalische „Wahrheit“ seiner Quanten, er demonstrierte nur eine Ableitung, die weitaus erfolgreicher war als bestehende Theorien, mit halb -Heuristisches Denken. Trotzdem stützte sich Einsteins Arbeit von 1905 über den photoelektrischen Effekt stark auf Plancks Ideen.

Experimente, die auf die Struktur der Materie abzielten, ermöglichten Bohr (neben vielen anderen), seine Atomtheorien zu formulieren. Das wichtigste unter ihnen war Rutherfords Goldfolienexperiment, ein Experiment, das durch die Studien der Radioaktivität ermöglicht wurde, die im vorangegangenen Jahrzehnt durchgeführt wurden. Spektroskopische Experimente waren auch für Bohr und seine Zeitgenossen am einflussreichsten. Aber frühe Versuche, das Verhalten des Atoms zu erklären, litten unter Paradoxien. Zum Beispiel verboten die Gesetze des Elektromagnetismus einem geladenen Teilchen, sich in einer Umlaufbahn um einen Kern zu drehen, ohne ständig Energie abzustrahlen. Die sogenannte „alte Quantentheorie“ wurde aufgebaut, indem sie die Quantisierung der Energie zur Erklärung dieser Tatsache umfasste, wobei sie sowohl von der Planckschen Theorie als auch von experimentellen und theoretischen Arbeiten in der Spektroskopie ausging.

Als die 1900er in die 1910er übergingen, bestätigten sehr sorgfältige Experimente zum photoelektrischen Effekt Schlüsselaspekte der Korpuskelwellendebatte. Anwendungen der klassischen Mechanik, die modifiziert wurden, um eine Quantisierung zu ermöglichen, offenbarten einige Unzulänglichkeiten in den Arbeitstheorien von Bohr et al. Bemühungen, Einsteins (sehr erfolgreiche, aber noch in der Entwicklung befindliche) Theorie der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie mit den bekannten wellenartigen Phänomenen im Zusammenhang mit Licht (insbesondere Dispersion) zu kombinieren, inspirierten abstraktere Arbeiten, einschließlich der berühmten BKS-Theorie, sowie wichtige Theorien Arbeiten von Kramers, Heisenberg, Born, Jordan, Dirac und Schrödinger. Aber ich schweife ab, wir sind von den Experimenten abgewichen.

Viele weitere Experimente prägten die Konzepte der Quantenmechanik. Einige eliminierten klassische Ideen, wie Michelson-Morely; andere zeigten Beispiele für Quantisierung jenseits von Energie, wie das Stern-Gerlach-Experiment. Ein wichtiger Beleg für Einsteins Photonentheorie war Comptons Arbeit zur Röntgenbeugung. Entdeckungen von Protonen, Myonen und Pionen und schließlich Neutronen begannen mit der Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Es gibt wirklich endlose Wege zu gehen, ich bin mir sicher, dass ich Dinge vergesse, aber das hier ist eine grobe Chronologie.

Referenzen und empfohlene Lektüre

Jammer, Die konzeptionelle Entwicklung der Quantenmechanik

Waerden, Quellen der Quantenmechanik

Segre, Von Röntgenstrahlen zu Quarks