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Max Plancks Quantentheorie

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Max Plancks Quantentheorie

1900 war nicht nur die Jahrhundertwende, es war auch das Jahr der Veröffentlichung von Max Plancks Strahlungsgesetz und seiner Quantenformel. Obwohl viele Menschen sie für unverständlich halten, ist sie doch Lehrstoff für fünfzehnjährige Schüler.

Die Quantentheorie prägte die Physik des 20. Jahrhunderts. Von Arbeiten zur Thermodynamik ausgehend leitete der Physiker im Jahr 1900 das nach ihm benannte Plancksche Strahlungsgesetz her. Die volle Tragweite seiner Formel erkannte er erst später. Albert Einstein verallgemeinerte sie zur Lichtquantenhypothese.

1918 erhielt Planck den Nobelpreis für Physik. Durch seine Gesinnung und sein gradliniges, unbeirrbares Handeln nahm er eine besondere Stellung unter den deutschen Physikern ein. Von 1945 bis 1946 war er Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft, die später seinen Namen bekam.

Das Paradoxe an der Entdeckung ist, dass Max Plank ursprünglich nicht an Atome geglaubt hatte, obwohl er sehr tief in die Erforschung der Naturgeheimnisse eingedrungen war.
Erst unter dem Druck neuer Zusammenhänge korrigierte er sich und war bereit, die Existenz der Atome als gesichert anzusehen. Damit veränderte er alle Vorstellungen, die die Wissenschaft bisher von den kleinsten Teilchen gehabt hatte. Er berechnete, dass Atome Strahlungsenergie nur in bestimmten Paketen oder Quanten aufnehmen oder aussenden können. Diese Lichtteilchen, die Quanten werden heute als Photonen bezeichnet

Kleine Pakete

Die Quantentheorie geht von der Naturkonstante h aus. Diese besagt, dass Energie nicht stufenlos, sondern nur in kleinen Paketen (Energiequanten) aufgenommen und abgegeben werden kann. Bis 1900 ließ es die klassische Physik zu, dass Energie kontinuierlich aufgenommen und abgegeben wird.
Jetzt ähnelten Energiesysteme einer Leiter mit Sprossen. Bei alltäglichen Systemen fällt h nicht ins Gewicht. Bei Einzelatomen aber, bei denen die Energie bei Emission oder Absorption sehr klein ist, können die Energieniveaus nur mit dem Planckschen Wirkungsquantum h verstanden werden.

Zur besseren Verständlichkeit stellt ihr euch ein quantenphysikalisches System wie ein mechanisches Uhrwerk vor. Der Zeiger wird durch ein quantenmechanisches Zahnrad angetrieben, trotzdem können wir den Lauf des Zeigers wegen seiner Langsamkeit nur als gleichmäßige (kontinuierliche) Bewegung beobachten.

Die Quantenphysik spielt bei allen atomaren Prozessen die entscheidende Rolle. Das beginnt bei magnetischen Erscheinungen, über elektromagnetische Strahlung (Radiowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen), bis hin zu den modernen Supraleitern. Darunter versteht man elektrische Leitungsvorgänge bei sehr tiefen Temperaturen.

Die Entdeckung einer Weltformel

Einsteins wesentliche Formel der Relativitätstheorie E=mc² kennt fast jeder. Sie bedeutet, dass bei Verschwinden einer Masse m eines Körpers die ungeheuere Energie E (durch die Multiplikation mit der enormen Größe c²) frei wird. Damit kann die Freisetzung von Energie in einem Reaktor oder bei einer Atombombenexplosion beschrieben werden, bei der Masse wirklich verschwindet.

Die Planksche Formel dagegen lautet E=hv und ist in der Öffentlichkeit relativ unbekannt. Dabei bedeutet h das konstante (kleine) Planksche Wirkungsquantum, v die Frequenz einer Strahlung und E die damit verbundene Energie. Über die bestimmte Frequenz von Radiowellen, sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlung lässt sich die jeweilige Energie dieser Strahlungsart berechnen.

Bald stellte sich heraus, dass Einsteins Formel mit der von Planck qualitativ gleichgesetzt werden konnte also hv=mc². Sie wurde zur wichtigsten Gleichung des 20. Jahrhunderts. Man sprach von einer Weltformel. Sie bedeutet, dass jedem Quantenobjekt eine Materie-Welle zugeordnet werden kann.

Die Gleichung gilt in ihrer Aussage für die Vernichtung von Teilchen (z. B. einem Elektron und einem Positron) zu Photonen und umgekehrt.

In diesem Zusammenhang hatte die Physik des 20. Jahrhunderts auch ein philosophisches Problem: Ist ein bewegter Körper, wie beispielsweise ein Elektron in einer Fernsehröhre, auch eine Welle und umgekehrt: Ist eine Welle wie Licht auch ein Teilchen? Bis heute ist diese Frage nicht geklärt: Licht als Welle hat auch Masse und wird von großen Massen angezogen, bewegte Elektronen als Teilchen überlagern sich nach Hindernissen wie Wasserwellen. Lichtteilchen oder Photonen haben dagegen keine Masse (Ruhemasse) wie Atome oder Elektronen und bewegen sich während ihres ganzen Lebens mit Lichtgeschwindigkeit.

Für uns Menschen ist das alles schwer vorstellbar, auch wenn wie es mathematisch berechnen können. Aber moderne Erfindungen vom Radio bis zum Fernseher und zum Computer oder vom Laserstrahl zum CD-Player zeigen, wie wichtig es ist, sich mit den kleinsten Bausteinen unserer Welt und deren Gesetzen zu beschäftigen. Ohne Physiker wie Einstein oder Planck wäre unsere moderne Welt nicht so geworden wie sie ist: Kein Internet, keine Handys, keine Nuklearmedizin. Andererseits hätte es auch keine Atombombe und keine Reaktorkatatstrophe von Tschernobyl gegeben.

Hier findest du einen ausführlichen biographischer Artikel zu Max Planck, erschienen in der Studentenzeitung "Speed" der Fachhochschule Dieburg.

Hier findest du eine weitere Biografie von Max Planck allerdings in englischer Sprache.

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