Hohen Energiezuständen auf die Finger geschaut

News: Hohen Energiezuständen auf die Finger geschaut

In den frühen zwanziger Jahren fanden Physiker heraus, daß die klassische Physik bei der Beschreibung von Atomen versagt, obwohl sie gut funktionierte, wenn es um makroskopische Körper wie zum Beispiel Planeten ging. Daher machten sie sich auf, eine Theorie zu entwickeln, die für Atome gilt. Ein Teil dieser ersten Atomtheorie geht auf das Korrespondenzprinzip von Niels Bohr zurück. Danach stimmen klassische und Atomtheorie überein, wenn es keine diskreten Energieniveaus mehr gibt. In diesem klassischen Grenzfall befinden sich zum Beispiel Atome, die hoch angeregt sind. In solchen Energiezuständen sind die Unterschiede zwischen den Energieniveaus so gering, daß ein Energiekontinuum erreicht wird. Während die Vorstellung auf spezielle Fälle immer noch gut zutrifft, wie zum Beispiel auf das Wasserstoffatom, zeigt eine neue Studie, daß hohe Energiezustände nicht unbedingt klassisch sein müssen, Bohrs Formulierung des Prinzips also nicht allgemein gültig ist.

Niels Bohr hat das Wasserstoff-Atommodell 1913 entwickelt und stützt sich dabei auf sein Korrespondenzprinzip: Wenn sich ein Elektron weit entfernt vom Proton befindet – weit heißt hierbei zum Beispiel einen Meter – sollte es sich wie eine klassische Ladung verhalten und Licht der selben Frequenz emittieren, mit der es das Proton umkreist. Diese Vorstellung wurde in der Folgezeit weiter ausgebaut. So findet man in Lehrbüchern den Hinweis, daß für hohe Quantenzahlen, die Atomtheorie dieselben Vorhersagen liefert, wie die klassische Physik. Deshalb gehen viele Wissenschaftler davon aus, daß alle Berechnungen die hohe Quantenzahlen beinhalten, mit "semiklassischen" Voraussagen übereinstimmen.

Bo Gao von der University of Toledo in Ohio hat die Rotations- und Schwingungszustände von zweiatomigen Molekülen kurz vor dem Zerfall untersucht. Er war überrascht, als die semiklassischen Voraussagen immer weniger zutrafen, je stärker die Schwingung und je höher folglich die Quantenzahlen waren. Gao vemutet, daß die Annahme, je höher der Energiezustand, um so "klassischer" das Verhalten, nicht unbedingt zutreffen müsse. Die wirkliche klassische Grenze sei der Zustand, bei dem die quantenmechanische Welle, die mit dem Partikel in Verbindung steht, eine kurze Wellenlänge hat (Physical Review Letters vom 22. November 1999).

Ultrakalte Atome können extrem lange Wellenlängen haben, und wenn so ein Atompaar ein anderes über eine große Distanz anzieht – ähnlich wie ein Molekül in einem hoch angeregten Schwingungszustand – wird die semiklassische Theorie wahrscheinlich nicht zutreffen. Und neutrale Atome ziehen sich nicht so stark an, wie entgegengesetzt geladene Teilchen, die dem Coulombschen Gesetz folgen, deren Anziehungskraft also quadratisch mit dem Abstand abnimmt. Gao stellte fest, daß die meisten gemeinhin untersuchten atomaren Kraftgesetze, wie zum Beispiel die Van der Waals Wechselwirkungen, das Bohrschen Korrespondenzprinzip nicht erfüllen.

"Wir haben keine gute Quantentheorie für solche hoch angeregten Molekülzustände", sagt Gao, daher verwenden die meisten Forscher komplexe Computerprogramme, um die Eigenschaften zu berechnen. Ohne eine treffendere Theorie, ist die semiklassische Näherung populär geblieben, "weil sie sehr einfach ist", sagt er und fügt hinzu, daß man das Verständnis des Korrespondenzprinzips neu überdenken müsse.

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