Mit der Kopplungskonstanten
κ gilt für die Kreisbewegung eines Elektrons im
Coulombfeld:
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(1)
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also Coulombkraft =
Zentripetalkraft.
Wird der Drehimpuls
gequantelt (erstes Bohrsches Postulat)
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(2)
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so sind nur noch
Bahnen mit diesen Radien und (Kreis-) Frequenzen 'erlaubt':
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Siehe
Illustrationen. Bei der Bewegung im
Zentralfeld ist der Betrag der gesamten Energie gleich der kinetischen Energie:
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Also sind mit den
quantisierten Werten von oben nur folgende Energien 'erlaubt' ('stationäre
Zustände'):
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(5)
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Nach dem zweiten
Bohrschen Postulat (Frequenzbedingung) gehören dazu die Frequenzen
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Genau genommen ist
das nicht die Frequenzbedingung, sondern Einsteins Gleichung E = h f ;
die Frequenzbedingung meint die Differenz zweier solcher Frequenzen (oder
Energien). Jedenfalls gilt dann für die Frequenzen:
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(7)
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was sich
allerdings von den oben berechneten Frequenzen um den Faktor n/2
unterscheidet. Stehen also die beiden Bohrschen Postulate im Widerspruch? Nein
und Ja!
Nein: Sowohl Drehimpuls als auch
Energie lassen sich quantisieren.
Ja: Aber nicht mit der Bewegung klassischer Teilchen. In
seinem Artikel in Philos. Mag. 26,1 (1913) umgeht Bohr dieses Problem (Faktor n/2)
elegant mit dem Ansatz "Putting E =
(n/2) h f " (Seite 5, Gleichung 2), man sollte also n/2 den
Bohrschen Faktor nennen.
Wir
bohren ein Schlupfloch aus der Misere ("Korrespondenzprinzip") und rechnen in
atomaren Einheiten.
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(8)
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Dann ist die Frequenz der Überlagerung von zwei
"stationären Zuständen" mit den Quantenzahlen n
und n+k (Frequenzbedingung):
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(9)
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Oder für große
Quantenzahlen
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was der klassischen
Umlauffrequenz (~1/n^3, blau) 'korrespondenzmäßig entspricht' (k = 1):
Und die Moral von
der Geschicht? Trau den Apostulaten nicht:
Es kann keinen Quantensprung geben, weil die Frequenz der emittierten
Strahlung die Differenzfrequenz der "stationären Zustände" ist. Würde der
Übergang sprunghaft erfolgen, könnte keine Differenzfrequenz zustande kommen.
Es kann aber auch keine stationären Zustände geben, weil sonst das Elektron
springen müsste :-)).
Und der Grundzustand? Ist auch nicht zu 100% stabil (Elektroneneinfang). Man
munkelt, dass die 99,99..% der stabilen Atome durch das Vakuum stabilisiert
werden. Oder sich einfach an Bohrs Postulate halten?
Schrödingers Zusatz:
Weshalb ergibt sich bei der Überlagerung von zwei Zuständen die
Differenzfrequenz?
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(11)
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(12)
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(13)
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Also alles nur eine
Schwebung? Jedenfalls ist nur die Schwebung (und damit die Superposition von
"stationären Zuständen") als zeitliche Veränderung beobachtbar!
Illustrationen
Zunächst ein paar
Bohrsche Bahnen, also Kreise mit den Radien n
2.
Von 1 bis 15
Preisfrage:
zwischen welchen
Bahnen findet
der größte
Quantensprung
statt?
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und von 15 bis
50
Preisfrage:
zwischen welchen
Bahnen findet
der größte
Quantensprung
statt?
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Quantisierung:
Eine gängige
aber falsche
Erklärung für
die (nicht
existierenden)
Bohrschen Bahnen
ist, dass sich
das Elektron nur
auf Bahnen
aufhält, deren
Umfang ein
ganzzahliges
Vielfaches n
der De
Broglie-Wellenlänge
des (nicht
relativistischen)
Elektrons ist.
Manchmal liest
man sogar, dass
diese
"stationären
Zustände"
stehenden Wellen
entsprechen.
Und
"tatsächlich":
Berechnet man
für alle Radien
die Wellenlänge
des Elektrons
und trägt eine
Welle mit dieser
Wellenlänge über
dem jeweiligen
Kreis auf, so
ergibt sich die
Fläche in
Grautönen, die
nur für r
= n2
"den Anschluss
findet" (die
passende Phase
hat),
hervorgehoben
durch die roten
Kurven.
Ex falso
quodlibet!
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Wobei es sich
bei den roten
Kurven um
Lissajous-Figuren
handelt (zur
Abwechslung
einmal anders
dargestellt).
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Nimmt man zwei
solcher Bohr -
De Broglie -
Lissajou -
Wellen zu
benachbarten
"Quantenzahlen"
(50 und 51), so
ist leicht
einzusehen, dass
sich diese
Wellen auf der
einen Seite
verstärken und
auf der anderen
Seite aufheben.
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Überlagert man
unter
Missachtung
aller Verbote
beide Wellen, so
erhält man eine
Schwebung, die
man auf dem
Computer auch
laufen lassen
kann.
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Man kann auch
Wellen
überlagern, die
sich in ihrer
Quantenzahl um
mehr als 1
unterscheiden...
Falls Sie diese
Bilder
einprägsam
finden, sollten
Sie sich auch
einprägen, dass
sie falsch sind.
Ein Atom ist
nicht "flach"
(zweidimensional)
und das Elektron
ist weder
punktförmig auf
einer Bahn
unterwegs noch
kann es als
eindimensionale
Welle
dargestellt
werden. Ein
etwas besseres
Modell finden
Sie
hier.
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