Quant
In der Physik ist ein Quantum (Plural Quanten) die kleinste Menge einer physikalischen Einheit (physikalische Eigenschaft), die an einer Wechselwirkung beteiligt ist. Der grundlegende Gedanke, dass eine physikalische Eigenschaft "quantisiert" werden kann, wird als "Quantisierungshypothese" bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Größe der physikalischen Eigenschaft nur diskrete Werte annehmen kann, die aus ganzzahligen Vielfachen eines Quants bestehen. ⓘ
So ist beispielsweise ein Photon ein einzelnes Lichtquant (oder eine andere Form elektromagnetischer Strahlung). Auch die Energie eines in einem Atom gebundenen Elektrons ist gequantelt und kann nur in bestimmten diskreten Werten existieren. (Atome und Materie im Allgemeinen sind stabil, weil Elektronen nur auf diskreten Energieniveaus innerhalb eines Atoms existieren können). Die Quantisierung ist eine der Grundlagen für die viel umfassendere Physik der Quantenmechanik. Die Quantisierung von Energie und ihr Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen Energie und Materie (Quantenelektrodynamik) ist Teil des grundlegenden Rahmens für das Verständnis und die Beschreibung der Natur. ⓘ
Etymologie und Entdeckung
Das Wort Quantum ist der Neutrum Singular des lateinischen Interrogativadjektivs quantus, was "wie viel" bedeutet. "Quanta", der Neutrum Plural, kurz für "Quanten der Elektrizität" (Elektronen), wurde 1902 in einem Artikel über den photoelektrischen Effekt von Philipp Lenard verwendet, der Hermann von Helmholtz die Verwendung des Wortes im Bereich der Elektrizität verdankt. Das Wort Quantum im Allgemeinen war jedoch schon vor 1900 bekannt, z. B. wurde Quantum in E. A. Poes Loss of Breath verwendet. Es wurde häufig von Ärzten verwendet, wie z. B. in dem Begriff quantum satis, "die Menge, die ausreicht". Sowohl Helmholtz als auch Julius von Mayer waren sowohl Mediziner als auch Physiker. Helmholtz verwendete den Begriff Quantum im Zusammenhang mit Wärme in seinem Artikel über Mayers Arbeit, und das Wort Quantum findet sich in der Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik durch Mayer in seinem Brief vom 24. Juli 1841. ⓘ
1901 verwendete Max Planck den Begriff Quanten für "Materie- und Elektrizitätsquanten", Gas und Wärme. Als Reaktion auf die Arbeiten von Planck und die experimentellen Arbeiten von Lenard (der seine Ergebnisse mit dem Begriff "Elektrizitätsquanten" erklärte) schlug Albert Einstein 1905 vor, dass Strahlung in räumlich begrenzten Paketen existiert, die er "Lichtquanten" nannte. ⓘ
Das Konzept der Quantisierung von Strahlung wurde im Jahr 1900 von Max Planck entdeckt, der versucht hatte, die von erhitzten Objekten ausgehende Strahlung, die so genannte Schwarzkörperstrahlung, zu verstehen. Durch die Annahme, dass Energie nur in winzigen, differenzierten, diskreten Paketen (die er "Bündel" oder "Energieelemente" nannte) absorbiert oder freigesetzt werden kann, konnte Planck erklären, warum bestimmte Objekte bei Erwärmung ihre Farbe ändern. Am 14. Dezember 1900 berichtete Planck der Deutschen Physikalischen Gesellschaft über seine Erkenntnisse und führte erstmals die Idee der Quantisierung als Teil seiner Forschungen zur Schwarzkörperstrahlung ein. Aus seinen Experimenten leitete Planck den numerischen Wert von h ab, der als Planck-Konstante bekannt ist, und meldete der Deutschen Physikalischen Gesellschaft genauere Werte für die Einheit der elektrischen Ladung und die Avogadro-Loschmidt-Zahl, die Anzahl der realen Moleküle in einem Mol. Nachdem seine Theorie bestätigt worden war, erhielt Planck 1918 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung. ⓘ
Quantisierung
Obwohl die Quantisierung zuerst bei der elektromagnetischen Strahlung entdeckt wurde, beschreibt sie einen grundlegenden Aspekt der Energie, der nicht nur auf Photonen beschränkt ist. In dem Versuch, die Theorie mit dem Experiment in Einklang zu bringen, postulierte Max Planck, dass elektromagnetische Energie in diskreten Paketen, den Quanten, absorbiert oder emittiert wird. ⓘ
Der Begriff Quant
Oft wird mit dem physikalischen Begriff Quant ein Teilchencharakter der betrachteten Größe assoziiert. Dies ist jedoch nur ein Teil der eigentlichen Bedeutung des Begriffs. Ein Beispiel für ein Quant, dem man keinen Teilchencharakter zuschreiben kann, ist das Drehimpulsquant. ⓘ
Als physikalischer Terminus wird Quant nicht zur Bezeichnung der atomaren Struktur der Materie verwendet, obwohl auch hier eine kleinste Mengeneinheit (Quantelung) auftritt. ⓘ
Beispiele
- Das Photon als Quant des elektromagnetischen Feldes. Photonen können zwar unterschiedliche diskrete Energieniveaus haben, aber nur als Ganzes erzeugt oder vernichtet werden.
- Das Phonon als Quant mechanischer Verzerrungswellen im Festkörper.
- Das Plasmon als Quant einer Anregung im Festkörper, bei der die Ladungsträger gegeneinander schwingen.
- Das Magnon als Quant magnetischer Anregungen.
- Das Quant des Drehimpulses, das nicht als Teilchen interpretiert wird.
- Das Gluon als Quant des Kraftfeldes, welches die Starke Wechselwirkung überträgt.
- Das Graviton als Quantelungsgröße des Schwerefeldes. ⓘ