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THEMA: Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen???

Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 19:32 #18337

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hallo leute

ich komme einfach nicht drauf und stelle mir die frage. wie planck, einstein und co auf die quantisierung gekommen sind (wer war nochmal der erste entdecker?)

also konkret geht es mir um das strahlungsspektrum des schwarzkörpers.
wenn man sich so eine kurve anschaut, welche gedankengänge haben zu der erkenntniss geführt?
ich kann das nicht nachvollziehen.
auch bei dem experiment von einstein mit dem photoeffekt verstehe ich nicht wie man daraus eine paketform herleitet.

kann mir jemand die gedanken dieser herren erläutern?

ich habe natürlich alle videos dazu angesehen, trotzdem wird es nicht wirklich erklärt.

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 19:39 #18338

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Vielen Dank für die wirklich interessante Frage und möchte mich anschließen Für mich sind Quanten immer so etwas wie ein Schalter. Man spricht in der Elektronik von einer Hysterese. Also kann man sich das so vorstellen: Man hat zu Hause einen Lichtschalter. Versucht einmal ganz langsam den Schalter umzuschalten um das Licht einzuschalten. Man drückt und drückt und irgendwann kommt der Punkt an dem die eingebaute Feder klick macht und das Licht geht an oder auch aus.
Dabei ist der Weg des Schalters in beiden Richtungen überschneidend. Das heißt, es braucht immer einen gewissen Überschuss um den Vorgang auszulösen. Im Fall des Schalters ist des die mechanische Eigenschaft der Schaltfeder.
Ach ja und der Weg des Überschneidens von Ein und Aus ist das Paket.

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 19:58 #18340

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danke aber das bringt mich nicht weiter.
ein lichtschalter ist halt ein lichtschalter.
aber..
plank schaut sich das strahlungsspektrum an und denkt: da stimmt was nicht.
warum?
was war an dem spektrum ungewöhnlich. wie kommt man auf eine quantisierung?
oder anders gefragt:
welche strahlungsverteilung hat man denn erwartet?

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 20:14 #18342

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Was weißt du über Quanten und QM?
-
Vielleicht hilft dies:


Energie muss nicht immer gequantelt sein. Ein Wasserstoffatom hat z.B. oberhalb der gebundenen Zustände noch ein kontinuierliches Spektrum von freien Zuständen. Die kinetische Energie dieser freien Zustände ist also nicht gequantelt, sondern kann in beliebig kleinen Beträgen variiert werden.

In der Quantenfeldtheorie betrachtet man Teilchen tatsächlich als gequantelte Anregungen des Vakuums (sogenannte Zweite Quantisierung). Aber umgekehrt muss nicht jedes Quant zwangsläufig ein Teilchen sein. Beispielsweise ist der Drehimpuls in einer rotationssymmetrischen Versuchsanordnung grundsätzlich gequantelt. Man spricht von Drehimpulsquanten, ohne damit die Vorstellung eines Teilchens zu verbinden.

Die de Broglie-Formeln besagen, dass zwischen der Energie und der Frequenz ein fester Zusammenhang besteht. Insofern kannst Du sogar sagen, das jede Energieform im Grunde genommen die Wellenanregung irgendeines Feldes ist. Ob die Energie dabei gequantelt ist oder nicht, hängt in erster Linie von den Randbedingungen ab, denen dieses Feld unterworfen ist.

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 20:32 #18347

Dann fange ich mal an mit dem Versuch, über Einsteins Experiment zu schreiben ( de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt ). Den Versuchsaufbau gibt es in verschiedenen Formen und mit verschiedenen Materialien, darum möchte ich gleich zum physikalischen Kern.

Ein Körper wird mit monochromatischen Licht bestrahlt. An diesem Körper liegt eine Spannung, so dass bei herausgeschlagenen Elektronen ein Strom fließt, der dann gemessen wird. Was passiert?

1.) Man nehme eine erste Wellenlänge und bestrahle den Körper mit niederer Intensität. Die Messung ergibt, dass kein Strom fließt.

2.) Man nehme die selbe Wellenlänge und bestrahle den Körper mit deutlich höherer Intensität. Die Messung ergibt, dass immer noch kein Strom fließt.

3.) Man nehme eine geringfügig kleinere Wellenlänge und bestrahle den Körper mit niederer Intensität. Die Messung ergibt, dass jetzt Strom fließt.

Die höchste Strahlungsenergie ist bei Versuch 2, Strom fließt aber genau dann, wenn eine bestimmte Schwell-Wellenlänge unterschritten ist.

Wie kann man dieses Versuchsergebnis erklären?
- Photonen haben Teilcheneigenschaften.
- Die Elektronen haben eine Mindestenergie, die sie benötigen, um herausgeschlagen werden zu können.
- Strom fließt genau dann, wenn ein Photon misdestens diese Energie übertragen kann.

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 20:57 #18352

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daraus kann man logisch ableiten, dass höhere frequenz eine höhere energie hat.
aber eine quantelung kann ich hier noch nicht sehen.

hier eine knappe zeichnung wie ich mir gequantelte energiepakete vorstelle.
vielleicht liegt hier mein problem im verständniss.
der mensch neigt ja immer dazu ein bild im kopf zu haben, eine bildliche vorstellung von den dingen zu haben.
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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 21:01 #18354

Danke Claus, das war die Erklärung zum Photoeffekt.

Wie Plank auf sein Wirkungsquantum kam, geschah in einer höchst intuitiven und inspirierten Nacht.
Er wollte die Strahlungskurven der Schwarzkörperstrahlung, die von Jeans und Wien, beide Physiker, die das Spektrum dieser Schwarzkörperstrahlung untersucht hatten, in einer Beschreibungsweise zusammen führen. Der eine hatte das Spektrum bei kleinen Wellenlängen, der andere bei großen Wellenlängen untersucht. Die eine Kurve war aufsteigend, die andere abfallend. Dazwischen klaffte eine Lücke, die Planck unbedingt schließen wollte und er brauchte dafür eine Hilfsgrösse.
Am Ende dieser Nacht hatte er den passenden Ausdruck gefunden, der nun diese Hilfsgrösse enthielt und seither seinen Namen trägt. Aus dem ersten Buchstaben der Hilfsgrösse, also H, wurde das plancksche Wirkungsquantum h.
Die richtige Frage lautet also, wie kam Planck von den Vorarbeiten von Wien und Jeans zum planckschen Strahlungsgesetz und damit zu seinem Wirkungsquantum.

Das jetzt genauer zu erklären, ist kein leichtes Unterfangen. Aber die Spur dahin hab ich hoffentlich
gelegt. Viel Spaß beim weiteren Nachforschen.
Grüße
Thomas
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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 21:08 #18355

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Es lohnt sich halt nicht, jeden kleinen Energieklacks zu übermitteln. Daher gilt: Machen wir erst mal ein Paket, welches sich lohnt und schicken es erst dann ab.
Wie wäre es denn, wenn es nicht so wäre? Wenn es diese Paketform nicht gäbe. Jede kleinste Energie würde aus der QW übermilltel. Was wäre die Konsequenz?

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 21:09 #18356

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ja die spur hast du gelegt, danke.

Die eine Kurve war aufsteigend, die andere abfallend. Dazwischen klaffte eine Lücke,


welche lücke? wo?
ich sehe immer nur eine kurve.
die hat entweder einen kleinen buckel oder einen großen buckel (je eneriereicher, desto grösser der buckel)

ralf,
das problem habe ich von schon bei harald lesch nicht verstanden.
sein bespiel mit dem backofen.
minute 7:35

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 21:17 #18357

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Hallo 3d,

vielleicht hilft der Laser weiter. Der wird mittels Licht gepumpt. Dort zeigt sich bei den Spiegeln der Photonendruck. Alles gequantelt.

Strahlst du mit dem Laser den Mond an, so must du nur nach links und rechts den Mond anstrahlen. Der Laser scattert.
Der Laser erklärt es recht gut. Es gibt auch Animationen. Wäre es nicht gequantelt, hätten wir ein Problem.

Gruß 1234

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 08 Aug 2017 21:45 #18359

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Die Quantenhypothese besagt, dass Strahlung (also z. B. Licht) mit Materie nicht beliebige Energiemengen austauschen kann, sondern nur bestimmte diskrete „Energiepakete“, die Quanten (von lat. quantum = "wie viel") genannt werden ...

Paket >>>Quantensprung* (Lücke) >>>Paket


(Man konnte die kompakten "Dinger" doch nicht "Energietüten" nennen...)
Das Wort war im Zusammenhang mit dem Bohr‘schen Modell aktuell, heute nur noch mit falschen Kontext im Sprachgebrauch.

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 09 Aug 2017 00:40 #18364

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Paket >>>Quantensprung* (Lücke) >>>Paket

wie groß wäre die lücke?
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oder 5,391 · 10-44

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 09 Aug 2017 04:14 #18366

Man schaue
Plancksches Strahlungsgesetz und da besonders Abschnitt "Die Ultraviolett-Katastrophe".
Ohne Quantisierung der Energiezustände würde jeder Ofen explodieren weil es bei Körpern im thermischen Gleichgewicht (Schwarzkörper oder Holraum) nach höheren Frequenzen hin unendlich viele Zustände gäbe die einen Energiebeitrag liefern. Die Hilfsgröße \(h\) verhindert das.

assume good faith

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assume good faith
Letzte Änderung: von Merilix. Begründung: Typo (Notfallmeldung) an den Administrator

Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 09 Aug 2017 08:38 #18370

Ein neuer Wechselwirkungsprozess im Universum kann nur dann zustande kommen, wenn die dabei bewegte Energie im gleichen Quantum weitergegeben werden kann. Das Beispiel von oben (Merilix) zeigt das ganz klar. Der neue Wechselwirkungsprozess ist die Verbrennung von vorgesehenem Brennstoff im Ofen und nicht die Zustände höherer Frequenzen. Gäbe es da eine Vermischung, wäre die Energibilanz im Universum, die ja immer gleich null sein muss, gefährdet.

Natürlich kann ich damit deine Ausgangsfrage nicht beantworten. Ich weiß nicht, wie Planck darauf gekommen ist. Aber mir hat in dieser Diskussion deine Hartnäckigkeit gefallen, die Prozesse tatsächlich zu verstehen und habe gedacht, ich mische einfach auch noch einmal mit.

Viele Grüße

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 09 Aug 2017 14:38 #18380

Ich hab jetzt noch nicht den ganzen Thread gelesen, aber schau doch mal im Netz nach der "Ultraviolett Katstrophe"

S = k log W

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S = k log W

Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 10 Aug 2017 02:54 #18401

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danke für alle erklärungsversuche.
die ultraviolett-katastrophe habe ich mir durchgelesen.
es ist alles viel zu kompliziert :dry:

wie würde z.B ein strahlungsspektrum aussehen, wenn es keine quantisierung gäbe?
könnte man so eine kurve aufzeichnen?

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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 10 Aug 2017 10:30 #18405

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3d schrieb: (...)
wie würde z.B ein strahlungsspektrum aussehen, wenn es keine quantisierung gäbe?
könnte man so eine kurve aufzeichnen?


Die Kurven findest Du im Wienschen Strahlungsgesetz bzw. im Rayleigh-Jeans-Gesetz; beide fußen auf einer nicht-quantisierten Physik.
Das Wiensche Gesetz liefert korrekte Werte für kleine Wellenlängen, das von Rayleigh für große Wellenlängen; erst Planck gelang es dann ein Gesetz abzuleiten, das über das gesamte Spektrum gilt, indem er eben - wohl aus der Not geboren - die elektromagnetische Strahlung quantelte.
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Energie in Paketform - Wie ist man drauf gekommen??? 10 Aug 2017 17:59 #18429

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danke. es geht doch nichts über ein bild :-)
das bringt mich schon etwas weiter.

die Wiensche kurve sieht nicht viel anders aus, als die Planksche.
ich würde dem als laie wohl keine beachtung schenken.
die Rayleigh-kurve ist das was ich sehen wollte.
nun kann ich meine gedanken neu sortieren B)

leider will das einügen von imagelink nicht funktionieren.
de.wikipedia.org/wiki/Datei:PlanckWien_linear_150dpi_de.png
de.wikipedia.org/wiki/Datei:PlanckWienRa...linear_150dpi_de.png
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