Was sind Quantenzahlen, Spins und Wechselwirkungen

„Spin“ Spin ist die Drehung eines Teilchens. Ein Teilchen kann sich superschnell rechtsrum drehen, dass die Teilchen (Kernteilchen oder Quanten) im Kern fast ausseinanderfliegen, oder eben umgekehrt oder langsamer. Manche Teilchen lassen sich auch nicht mehr in kleinere zerlegen, können aber trotzdem rotieren - wie ein Fussbal eben zum Beispiel.

Stichwort „Wechselwirkungen“ (Quantenmechanik):
Du meinst wohl die ‚geisterhoften Wechselwirkungen‘ die Einstein damals bemerkt und sich darüber gewundert hat - die bis heute eines der größten Mysterien der Quantenphysik sind.
Es ist eigentlich ganz einfach: Teilchen können auf nahezu magische Weise verbunden sein (dafür sollte man erstmal den Teilchen-/Welle-Dualismus verstehen). Teilchen-/Welle-Dualismus: Jedes Teilchen ist immer wenn es nicht interagiert in Wirklichkeit eine Welle und hat keine bestimmte Position und keine bestimmten physikalischen Eigenschaften. Es hat gleichzeitig alle Eigenschaften und alle Positionen mit jeweils einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. Und erst wenn das Teilchen/die Welle interagiert nimmt es einem bestimmten zufälligen Wert an und ist nur in diesem Moment ein wahres Teilchen. So erklärt sich auch das Doppelspaltexperiment (siehe Wiki). Und die geisterhafte Verbindung ist nun folgendes: Die Wahrscheinlichkeiten von zwei Wellen können für immer und über jegliche Distanz im Univsersum verbunden sein - so lange bis eine der Wellen interagiert. Dann nimmt eines der entstehenden Teilchen eine zufällige Eigenschaft an (ganz normal) aber das andere verbundere Teilchen nimmt auch milliarden Lichtjahre entfernt ohne Zeitverzögerung im exakt selben Moment den exakt GETENTEILIGEN physikalischen Wert an. Hat also eines der verbunden Teilchen bei der nächsten Interaktion einen Spin von ziemlich schnell rechtsrum, dann hat das andere Teilchen die selbe Drehgeschwindigkeit linksrum. Mit dieser Technologie versprechen sich Wissenschafter Technologien zu erschaffen wie ‚Kommunikation‘ schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Wobei man in dem Sinn nicht direkt Nachrichten übermitteln könnte, sondern eher zum Beispiel gleichzeitig bei Absender und Empfänger ein Passwort generiert werden könnte, dass da es nie übertragen wird quasi unmöglich abzuhören ist. Interessant ist das Phänomen allemal.

„Quantenzahlen“ ist einfach ein anderes Wort für Kennzahlen der quantenphysikalischen Größen (Position, Geschwindigkeit oder Ähnliches). Wenn man also in einer quantenphysikalischen Rechnung die Position und die Geschwindigkeit gemeinsam betrachtet, dann fasst man sie in ein System von ‚Observablen‘ (betrachtete Größen) zusammen - allerdings in einer bestimmten Weise, die nur für bestimmte Paare physikalischer Größen funktioniert. So kann man zum Beispiel aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation umso genauer man eine Position bestimmt umso ungenauer die dazugehörige Geschwindigkeit ermitteln und andersherum. Aber genau auch Geschwindigkeit und Position kann man so zusammenfassen wie es beim Rechnen mit Quantenzahlen gemacht werden kann. Die Quantenzahl gibt das praktisch an wie wahrscheinlich eine bestimmte Position und eine bestimmte Geschwindigkeit ist. Man kann also mathematisch ein Teilchen formulieren dessen Geschw. und Pos. genau bekannt sind und anhand der Quantenzahl bezüglich Geschw./Pos. sieht man genau die Werte bezüglich Geschw./Pos. die man bei einer realen Messung erleben würde (Unschärferelation). Wo man ja beides nicht exakt bestimmen kann, gibt dieser Wert also alles was man wissen kann so genau wie möglich an. Andersrum kann man so mit Messungen die ja nicht perfekt genau sind bestens-möglich auf die realen Kennzahlen zu schließen.

Sehr hilfreich!
Danke sehr!

Hallo Flavio,

Donnerwetter, da machst Du ein ganz schönes Fass auf. Aber Deine Faszination für dieses gebiet kann ich gut nachvollziehen. Ich nehme an Du bist Schüler so um die 10. Klasse rum. Also ich versuch mal eine Erklärung:

Die Physik unter anderem ist so faszinierend, weil sie in ganz, ganz kleinen Maßstäben (Atome, Elementarteilchen etc.), ganz, ganz großen Maßstäben (der Kosmos), ganz, ganz tiefen Temperaturen und ganz ganz großen Geschwindigkeiten (nahe Lichtgeschwindigkeit) Effekte erklärt, die für uns sehr fremdartig erscheinen. Insbesondere bei kleinsten Teilchen gibt es Effekte, die wir im täglichen Leben in unserer „Makrowelt“ nicht erfahren/beobachten können. Und dennoch sind diese Effekte wichtig, weil ohne sie unsere erfahrbare Umwelt nicht erklärbar wäre. Wir wüssten z.B. nicht genau, weshalb es feste Stoffe gibt oder weshalb eine Glühbirne oder Leuchtstoffröhre funktioniert. Die physikalischen Gesetze, die wir durch Beobachtung unserer Makrowelt „erfunden“ haben (solche Namen wie Newton, Galilei, Keppler, Ohm, Rutherford etc.), stimmen bei genauem Hinsehen oft nur näherungsweise und versagen bei den Versuchen, Phänomene wie Licht und Materie hinreichend zu beschreiben.

Bevor ich mich verlaber möchte ich auf Deine Fragen konkreter eingehen:

Wechselwirkung:
Thomas schenkt Sandra Blumen -> Sandra gibt Thomas daraufhin einen Kuss (actio und reactio, Wechselwirkung). Auf die Physik übertragen: Ein Gegenstand wird von der Erde angezogen und der Gegenstand zieht die Erde an (Gravitationswechselwirkung). Ein Elektron ziet ein Proton an und umgekehrt (Elektrostatische Wechselwirkung).

Alles weitere ist etwas komplizierter: Ein Atom stellte sich der Physiker Ernest Rutherford vor wie ein Miniatur-Planetensystem. Der Kern, der i.a. aus Protonen und Neutronen besteht, ist dei Sonne, die Elektronen umkreisen den Kern wie Planeten. Eine Quantenzahl könnte dann festlegen, auf welcher Umlaufbahn sich ein Elektron bewegt (diese Vorstellung ist zwar falsch, aber anschaulich). Führt man einem Elektron Energie zu, kann es sich auf eine energetisch höhere Bahn begeben, es erhöht sozusagen seine Quantenzahl (diese entspräche der Hauptquantenzahl n; n=1,2,3,…). Die verschiedenen Umlaufbahnen (n=1, n=2, n=3,…) können mit mehreren Elektronen besetzt sein, nicht jedes hat eine eigene. Die innerste Bahn n=1 kann 2, die weiter äußeren Bahnen 8 oder mehr Elektronen aufnehmen. So wie ein Dateiname im Computer eindeutig sein muss, muss auch jedes Elektron mit einer eindeutigen Quantenzahl „adressiert“ werden können, so will es die Quantenphysik. Zwei Dateien müssen entweder unterschiedliche Namen oder - bei Namensgleichheit - unterschiedliche Pfade haben. Ein Elektron hat noch eine weitere Eigenschaft, nämlich den Spin (das ist ein magnetisches Moment, also etwas, das mit einem Magnetfeld in Wechselwirkungb treten kann). Stell Dir den Spin als Rotation vor, ähnlich wie die Rotation der Erde um ihre eigene Achse (ist zwar auch nicht richtig, aber egal). Zwei Elektronen auf derselben Bahn (selbe Hauptquantenzahl, selber Dateipfad) vertragen sich nur, wenn sie unterschiedlichen Spin (unterschiedlicher Dateiname) haben. Der Spin s ist ebenfalls eine Quantenzahl und kann +1/2 oder -1/2 sein. Würden zwei Stabmagnete auf der selben Bahn kreisen, ginge das nur gut, wenn der eine in N-S-Richtungt, der andere in S-N-Richtung ausgerichtet wäre (sonst Abstoßung). Genau so müssen Elektronen auf derselben Bahn sich im Spin unterscheiden (Versinnbildlichung: das eine rotiert im Uhrzeigersinn, das andere gegen den Urzeigersinn). Also: Bei einem He-Atom im Grundzustand sind beide Elektronen auf der innersten Bahn („Bahn“ nennt man auch „Schale“). In derselben Schale (Hauptquantenzahl n=1) muss das eine s=+1/2, das andere s= -1/2 haben. Springt eines der Elektronen auf eine höhere Schale (Bahn), z.B. n=2, dann ist der Spin schnurz. Aber wie unterscheidet man 8 Elektronen auf einer gemeinsamen Schale? Das geht nur, wenn noch eine dritte Quantenzahl, die Bahndrehimpulsquantenzahl oder Nebenquantenzahl l (l=0…n-1) eingeführt wird. Somit wird also ein Elektron adressiert durch das Tripel (n,l,s), das eindeutig sein muss.

Hoffe, es hat Dir bis hierher etwas weiter geholfen, ich könnt noch ewig weiter schreiben…

Eine sehr hilfreiche Antwort!
Vielen Dank!!!

P.S. Ich bin achte Klasse

Trotzdem Danke!

Hallo,
ich hatte viel privat zu tun und bin nicht dazu gekommen zu Antworten.
Ich versuche mal zu Antworten:
Der Spin ist die Eigenrotation der Quanten.Man unterscheidet in Top und Downspins.
Die Quanten haben einen direkten Einfluss auf sich und ihre Umgebung. Sie beeinflussen (Wechselwirken) sich.
Quantenzahlen muss ich selber nachlesen. Ich bin selber Autodidakt in dem Bereich…

Grüße
Stefan

Trotzdem vielen Dank!