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Elektronen und die Unschärferelation

Von / 15. Oktober 2013 / 20 Kommentare
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Wenn ihr irgendwo etwas über Atome lest, dann besteht eine große Wahrscheinlichkeit, dass ihr dabei ein Bild wie dieses hier gesehen habt:

Bild: Fastfission, CC-BY-SA 3.0

Bild: Fastfission, CC-BY-SA 3.0

Das ist quasi das “offizielle” Symbol für ein Atom: Ein Kern mit Elektronen, die darum herum fliegen genau so wie Planeten einen Stern umkreisen. Mit diesem Atommodell kann man zwar viele Dinge wunderbar berechnen und erklären, aber wir wissen heute, dass es die Realität nicht exakt wieder gibt. Die Elektronen sind keine kleinen Kugeln, die um einen Atomkern herumsausen…

Wenn der Text den ihr über Atome gelesen habt etwas ausführlicher war, dann habt ihr darin vielleicht Abbildungen gesehen die dieser hier ähnlich sind:

Das ist schon eine etwas bessere Darstellung der Elektronen in einem Atom; es ist aber kein so anschauliches Modell mehr wie das mit den “Planeten”-Elektronen. Wie man es trotzdem einigermaßen verstehen kann, erklärt dieses schöne Video:

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Kommentare (20)

  1. #1 madm
    15. Oktober 2013

    In meiner Ausbildung ( nein nicht studiert! ) waren s orbitale noch annehmbar, aber ich habe Tage gebraucht um mich mit p d und f anzufreunden. Mein Ausbilder konnte das aber auch nicht so schön mit Wahrscheinlichkeiten erklären. Ich fragte mich nur, das blöde Elektron von der einen Seite des d Orbiltals zur anderen Seite kommt, wenn es da garnicht zu sein hat.

  2. #2 Luk
    15. Oktober 2013

    @madm

    Es kann überall sein, nur ist das eben unwarscheinlich.
    Wenn es die Seite z.B. schnell wechselt und lange dort bleibt so kommt es gut dort an.
    Das ganze ist wie bei Menschen die zur Arbeit gehen.
    Die meiste Zeit sind sie zuhause oder bei der Arbeit (dort kann man einen Rahmen zeichnen) und das heisst aber nicht das sie nie ausserhalb davon sind, z.B. auf dem Arbeitsweg. Nur schaute man zu einer beliebigen Zeit so wird man sie meistens zu Hause oder bei der Arbeit sehen.

  3. #3 Martin Windischer
    15. Oktober 2013

    Im Video wird erwähnt, dass mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit das Elektron für kurze Zeit auf der anderen Seite des Universums ist. Da stellt sich mir die Frage: Muss sich das Elektron denn gar nicht an die Relativitätstheorie halten? Braucht das dann nicht eine Ewigkeit, bis es wieder zurück ist, selbst wenn es mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist? Oder “springt” das Elektron einfach von Ort zu Ort?

  4. #4 Florian Freistetter
    15. Oktober 2013

    @Martin Windischer: ” Muss sich das Elektron denn gar nicht an die Relativitätstheorie halten? Braucht das dann nicht eine Ewigkeit, bis es wieder zurück ist, selbst wenn es mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist? Oder “springt” das Elektron einfach von Ort zu Ort?”

    Naja, das Elektron bewegt sich ja nicht von hier nach dort. Genau darum gehts ja in der Quantenmechanik. Es HAT einfach keinen konkreten Ort… ist im Video vielleicht nicht ganz eindeutig dargestellt.

  5. #5 PDP10
    15. Oktober 2013

    @Martin Windischer:

    “Da stellt sich mir die Frage: Muss sich das Elektron denn gar nicht an die Relativitätstheorie halten?”

    Ähm .. Jein. Als Dingens schon, aber nicht als Dingens in der Quantenmechanik …

    Das klingt verwirrend. Ist es auch.

    Die Quantenmechanik ist nichtlokal.
    Jedenfalls ist das der noch immer aktuelle Konsens.

    Die Relativitätstheorie wird dabei nicht verletzt, weil bei solchen “nichtlokalen” Phänomenen keine Information, dh, keine Wirkung im physikalischen Sinne übertragen wird.

    Als Einstieg hilft vielleicht dieser Abschnitt aus der Wikipedia:

    https://de.wikipedia.org/wiki/Nichtlokalit%C3%A4t#Nichtlokalit.C3.A4t_in_der_Quantentheorie

    Die Stichworte “Kopenhagener Deutung”, “Bellsche Ungleichungen” oder “Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon” helfen vielleicht Verwirrung und eventuell Verständnis zu erhöhen ….

  6. #6 Martin Windischer
    15. Oktober 2013

    Danke sehr, das macht die Sache schon klarer.

  7. #7 Swage
    15. Oktober 2013

    Jein ist immer gut. Ich liebe Jein. Jein klingt immer so als ob gleich was wirklich interessantes kommt.

  8. #8 Luk
    16. Oktober 2013

    Natürlich gilt das Geschwindigkeitslimit der Lichtgeschwindigkeit. Wenn man meint etwas sei schneller dann interpretiert man etwas falsch.

    Der Punkt ist das erst wenn man das Elektron dedektiert, der Ort definiert ist. Wann und in welchem Zeitraum es dort hingekommen ist, ist dabei nicht definiert.
    (Ausser man macht ständig Messungen, dann beeinflusst man allerdings ständig d

  9. #9 Luk
    16. Oktober 2013

    (ups, da hab ich mit vertippt)

    …das Elektron und es wird dann auch keine Überlichtsprünge machen)

    https://www.amazon.de/Einsteins-Schleier-neue-Welt-Quantenphysik/dp/3442153026

    Für interessierte Laien (wie ich einer bin) empfehle ich sonst dieses Buch. Es erläutert sehr anschaulich die Grundlagen der Quantenphysik.

  10. #10 Mr. M
    16. Oktober 2013

    Dann will ich mal mein QM-Wissen hervorkramen, hoffentlich spielt mir mein Gedächtnis keinen Streich 😀

    Ich glaub den Denkfehler kann man an Luks Beispiel festmachen. Hier weiß man zwar nicht, wann die Person wo ist (Zuhause, an der Arbeit, oder mit geringer Warscheinlichkeit ganz woanders im Urlaub), aber es existiert eine feste Ort-Zeit-Beziehung (Man könnte im Prinzip auf einer Karte aufmalen, wo die Person zu jedem Zeitpunkt war). Man kennt sie nur nicht. Wir haben es also mit einer Unwissenheit des Beobachters zu tun.

    In der QM ist das nicht so. Da ist es nicht etwa so, dass man den Ort nicht nur nicht kennt, sondern dass diese feste Ort-Zeit-Beziehung nicht existiert. Der Ort wird erst dann festgelegt, wenn man das system durch eine Messung dazu zwingt. Deswegen sind diese Wahrscheinlichkeitsverteilungen nicht unserem Unwissen geschuldet, sondern man kriegt es wirklich nicht genauer hin. Sie beschreiben den Zustand vor der Messung exakt.

    Der Zufall in der Quantenmechanik ist ein “echter” Zufall, kein scheinbarer, wie beim Fallen eines Würfels wo mein bei bestmöglicher Kenntnis des Ausgangszustandes im Prinzip das Endergebnis sicher berechnen könnte.

  11. #11 Crasac
    Wien
    16. Oktober 2013

    @Mr. M
    Zum Thema Würfelwurf kann ich dir nicht ganz zustimmen. Siehe dazu:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Laplacescher_D%C3%A4mon

    und

    https://de.wikipedia.org/wiki/Chaosforschung#Nichtlineare_Systeme

  12. #12 Mr. M
    16. Oktober 2013

    Zum Laplaceschen Dämon:

    -Dreikörperproblem kann man nicht berechnen, aber da steht ja auch dabei “Dieser Einwand ist grundlegend mathematischer Natur.”

    -Relativitätstheorie: Der einwand ist hier nicht relevant bzw vereinfacht das Problem eher, da man die Menge an Informationen eingrenzen kann die man kennen muss.

    -Um die QM-Sache gehts ja hier grade, bzw deren Unterschied zum Rest.

    -Berechnungsgrenzen sind ja auch in meinem “unechten Zufall” drin: Man könnte prinzipiell, aber wir haben nicht die Power dafür.

    Und es hat einen Grund, dass dman von deterministischem chaos spricht. Die zugrundeliegenden Gleichungen sind schon deterministisch, nur werden die so komplex, das man sich dann “aushelfen” muss indem man Wahrscheinlichkeiten einführt. Die QM ist von vornhrein nicht deterministisch.

  13. #13 Mr. M
    16. Oktober 2013

    Sorry, zu früh auf Senden gekommen.

    Der große Unterschied ist: Wenn der “klassische” Würfel geworfen wurde und somit alle Anfangsparameter festliegen, steht auch das Ergebnis fest. Bei einem QM-System liegt das Endergebnis eben nicht fest.

  14. #14 Luk
    16. Oktober 2013

    @Mr. M

    Es ging mir nicht darum ob man das weiss oder nicht. Es ging mir nur um die Warscheinlichkeit.
    Natürlich kann man den Weg eines Menschen verfolgen und den Ort immer wissen. Das kann man beim Elektron nicht.
    Aber wenn ich 1 Jahr betrachte und dann die Gebiete anfärbe in der sich die Person zu 95% aufgehalten hat, so ist dies im Prinzip dasselbe.
    Un der Arbeitsweg taucht dann eben nicht auf weil man sich zu kurz auf einem gewissen Streckenabschnitt aufhält.
    Trotzdem ist klar das die Person von A nach B kommen kann (als ausserhalb der Grenze keine absolut verbotene Zone ist).

  15. #15 MisterKanister
    17. Oktober 2013

    Tja, an den Fragen hier merkt man das sich viele Leute Elektronen usw. als Kugeln die um den Atomkern herumkreisen vorstellen, die Relität sieht leider anders aus. Diese Schulscheiße ist wohl auch nicht aus den Köpfen zu kriegen.

  16. #16 Christian 2
    17. Oktober 2013

    Unser Geist funktioniert ja auch elektronisch. Somit sind wir selbst doch sehr eng mit dem Elektron verbunden.

    Aber bei solchen Themen gerät man eh gleich wieder in die Esoecke. Es ist nur so ein Gedanke.
    Ich denke, das Elektronen für unser Leben allgemein eine mehr als große Rolle spielen, und es gibt Wissenschaftler, die ihnen durch diese Ungebundenheit an Raum und Zeit geradezu mystische Fähigkeiten zusprechen.

    Mich interessiert, was ihr darüber denkt.

  17. #17 Alderamin
    17. Oktober 2013

    @MisterKanister

    Meine Chemielehrerin wusste immerhin, dass das Bohrsche Modell falsch sein muss, weil sie gelesen hatte, dass die Elektronen ansonsten Bahnenergie verlieren und in den Kern stürzen müssten. Die Frage nach dem Warum konnte sie mir damals nicht beantworten. 😆

    Stimmt schon, ohne Unschärferelation würden kreisende Elektronen ihre Energie recht flott als Strahlung aussenden und abstürzen. Die Unschärferelation ist mithin eines der wichtigsten Naturgesetze für unsere Existenz. Sie erlaubt den Elektronen in einer stabilen Entfernung zum Kern zu verweilen.

    @Christian 2

    Ich denke, das Elektronen für unser Leben allgemein eine mehr als große Rolle spielen, und es gibt Wissenschaftler, die ihnen durch diese Ungebundenheit an Raum und Zeit geradezu mystische Fähigkeiten zusprechen.

    Alles was Du siehst und fühlst, was Dich zusammenhält und verhindert, dass Du in den Erdboden hineinfällst, sind Elektronen und ihre gegenseitige Abstoßung, insofern spielen sie eine ganz entscheidende Rolle für unsere Existenz. Aber mystische Fähigkeiten wird ihnen wohl kein Wissenschaftler ernsthaft zusprechen; die Unschärferelation gilt für alle Teilchen und Objekte, nur macht sie sich bei leichten wie den Elektronen stärker bemerkbar als bei Atomkernen oder gar makroskopischen Objekten. Sie entspricht deshalb nicht unserer Alltagserfahrung, aber ohne sie gäbe es uns nicht.

  18. #18 PDP10
    18. Oktober 2013

    @MisterKanister:

    “Tja, an den Fragen hier merkt man das sich viele Leute Elektronen usw. als Kugeln die um den Atomkern herumkreisen vorstellen, die Relität sieht leider anders aus”

    Naja, wenn du hier mitgelesen hast, hättest du gemerkt, dass das bei den meisten Leuten die hier posten eben nicht der Fall ist …. und auch bei denen, die hier danach fragen wie das eigentlich so ist, scheint das nicht so zu sein …

    Dazu fällt mir ein schöner Satz von Peter Quigg ein (theoretischer Physiker) der gesagt hat, er stelle sich Elektronen weder als Teilchen, noch als Felder vor.

    Sondern als kleine gelbe Kugeln.

    😉

    (Tu ich übrigens auch … aber aus irgendeinem Grund sind die bei mir Weiss …)

  19. #19 Eisentor
    18. Oktober 2013

    Dazu fällt mir ein schöner Satz von Peter Quigg ein (theoretischer Physiker) der gesagt hat, er stelle sich Elektronen weder als Teilchen, noch als Felder vor.
    Sondern als kleine gelbe Kugeln.

    (Tu ich übrigens auch … aber aus irgendeinem Grund sind die bei mir Weiss …)

    Elektronen sind blaue Kugeln!!!11
    🙂

  20. #20 Alderamin
    18. Oktober 2013

    @PDP10, Eisentor

    Es gibt eine planetarischen Nebel, der heißt “Blinking Planetary“. Der hat einen schwachen Zentralstern umgeben von einem nebligen Wölkchen. In einem typischen Amateurfernrohr ist der Zentralstern gerade so dunkel, dass man ihn nur dann sehen kann, wenn man an ihm vorbeischaut (das periphere Sehen ist wenger der Stäbchenzellen lichtempfindlicher). Schaut man ihn direkt an, verschwindet er, und der Nebel ist gut zu sehen. Schaut man hingegen vorbei, verschwindet der Nebel und man sieht nur den Stern. Der Effekt ist ziemlich verblüffend.

    So ungefähr stell’ ich mir Elektronen vor 😉