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Klassische & Moderne Physik

Neue Erkenntnisse zwangen Forscher
zum Umdenken

Die Physik – griech. physikos «natürlich» – ist die Wissenschaft der unbelebten Natur. Sie befasst sich mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit, sowie der Dynamik von Raum und Zeit selbst. Sie gilt als die grundlegende Naturwissenschaft auf der andere, wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie und letztlich auch die Biologie aufbauen. 1

Klassische & Moderne Physik

Physik

Die Physik ist die grundlegende Naturwissenschaft auf der viele andere aufbauen.

© display-Magazin

Die Physik wird nach verschiedenen historischen beziehungsweise sachlichen Gesichtspunkten in klassische und moderne Physik sowie in Kontinuums- und Quantenphysik beziehungsweise Makro- und Mikrophysik unterteilt, wobei sich diese Bereiche teilweise auch überschneiden.

Klassische Physik

Die klassische Physik, oft auch als Newton’sche Physik bezeichnet, erzielte ihre Erfolge seit dem 16. Jahrhundert vor allem auf dem Gebiet der Astronomie. Die Bewegung von Planeten scheint auf alle Ewigkeiten festen Naturgesetzen zu folgen. Kopernikus, Kepler, Newton, Galilei, Leibniz und viele andere Wissenschaftler legten die Grundlagen dafür, dass am Ende des 19. Jahrhunderts, auf dem Höhepunkt der klassischen Physik, Ingenieure äußerst präzise und damals erstaunliche Maschinen bauen konnten. Dieses Weltbild will uns vermitteln, dass es für scheinbar jedes physikalische Problem Formeln zur Vorausberechnung der weiteren Entwicklung gibt. Ein Beispiel hierfür wäre etwa, dass man wissen möchte welche Strecke ein bestimmter Gegenstand zurücklegt, wenn man ihn aus einem Flugzeug wirft. Vielleicht möchte man auch den Zeitpunkt der nächsten Sonnenfinsternis berechnen oder etwa die Flugbahn einer Rakete.

Sonnensystem mit neun Planeten

Planetenbahnen

Die Klassische Physik erziehlte ihre Erfolge vor allem auf dem Gebiet der Astronomie.

© astrofoto

Hierfür gibt es stets Formeln, und sie funktionieren in der Realität immer einwandfrei. Folglich müssen bei abweichenden Ergebnissen entweder die Ausgangsdaten falsch sein oder die gewählte Formel ist nicht korrekt. 2 Die klassische Physik beschreibt also Naturphänomene sehr anschaulich und ihre Gesetze folgen einer «einfachen» Logik. Sie umfasst viele Teilbereiche der Physik, u.a. die Newton'sche Mechanik, die Maxwell'sche Theorie des Elektromagnetismus, die Geometrische Optik, die Wellenoptik, die Akustik und Teile der Thermodynamik. Diese Teilbereiche sind – aus der historischen Entwicklung verständlich – zum Teil den Sinneswahrnehmungen angepasst. 3

Moderne Physik

Die moderne Physik ist aus dem Ideenrahmen der klassischen Physik enstanden, und hat deren Grenzen bewusst gemacht. In der Einstein'schen Relativitätstheorie bilden Raum und Zeit nicht mehr den objektiven, vom Beobachter unabhängigen Rahmen, in dem sich die Welt entfaltet. Bereits um die Jahrhundertwende konnten fundamentale Eigenschaften von Licht erklärt werden. Danach folgten Jahrzehnte mit einer ganzen Reihe von Entdeckungen, welche die Physiker zwangen eine neue Realität anzuerkennen. Die herkömmliche Beschreibung der Natur im Sinne der klassischen Physik war nicht mehr ausreichend. Die Moderne Physik ist nicht mehr anschaulich zu beschreiben. Die einfache Interpretation von Raum und Zeit gilt nicht mehr. Zur Modernen Physik gehören u.a. die Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Atom-, Kern-, Elementarteilchen- und Hochenergiephysik sowie Elektronenoptik. Als Geburtsjahr der modernen Physik gilt im Allgemeinen 1906, jenes Jahr in dem Max Planck seine Quantentheorie publizierte. 3

Quantentheorie

Die Quantenphysik ist aus unserer heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Es gäbe keine Laser, keine Röntgenstrahlen und die Halbleiterindustrie wäre längst nicht so fortgeschritten. Als im Jahre 1900 der deutsche Physiker Max Planck seine Formel zur Berechnung der Strahlung Schwarzer Körper vorlegte, leitete er eine Revolution des physikalischen Weltbildes ein. Die Arbeit basierte darauf, dass glühende Körper Energie in Form von Licht nur in kleinen Portionen, den sogenannten Quanten, abgeben können. In seiner Formel E = h · f führte er das Planck’sche Wirkungsquantum h ein, eine Naturkonstante, deren Wert ungefähr 6.62 E-34 [Js] beträgt. Diese Konstante spielt in vielen Formeln der Quantentheorie eine wichtige Rolle und ist für viele merkwürdige Effekte verantwortlich. 2

Photoeffekt

Photoeffekt

Einfallendes Photon löst Elektron aus seiner Bindung – Photoelektron.
Der Photoeffekt, auch photoelektrischer Effekt, ist allgemeiner Begriff für die Bildung und Freisetzung von elektrisch geladenen Teilchen aus Materie, wenn diese mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. 4

© Med-Uni-Marburg

Der Photoeffekt

Am Anfang des 20. Jahrhunderts ist zur Wellentheorie eine weitere Theorie – die Quantentheorie – hinzugekommen. Sie ist notwendig, um das Entstehen von Licht Lumineszenz zu erklären. Grundlegende Erkenntnisse für die Physik ergaben sich aus der Untersuchung der Wechselwirkung von Licht und Materie.

Photoelektronen

Elektronen befinden sich in jeder Art von Materie. Speziell bei Metallen (Leitern) können sich diese besonders frei bewegen. Aber für ein Elektron ist es nicht leicht, den positiv geladenen Atomkernen zu ent- kommen. Um Elektronen aus ihrer Bindung zu lösen bedarf es Energiezufuhr von Außen. Diese kann entweder durch Temperatur zugeführt werden (Abdampfen) oder durch externe Photonen welche die Elektronen aus ihrer Bindung reißen – Photoeffekt. Die losgelösten Elektronen nennt man Photoelektronen. Albert Einstein war der erste der mit Hilfe der Quantentheorie dieses Phänomen erklären konnte. 5


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