A History Wall
of Quantum Physics

Die Struktur vieler Spektrallinien verschiedener Atome war zwar bereits von Balmer und Rydberg erklärt worden, doch ein allgemeineres Prinzip wurde zuerst von Walther Ritz entdeckt, der sich bereits 1903 in seiner Göttinger Dissertation mit dieser Frage befasst hatte, doch sollte es bis 1908 dauern, bis er das so genannte Ritzsche Prinzip formulierte. Es besagt, dass die Frequenzen der Spektrallinien eines Elements entweder die Summe oder die Differenz der Frequenzen von zwei anderen Linien desselben Elements sind. Dieses Kombinationsprinzip ermöglichte es Ritz und anderen, auf der Grundlage bekannter Spektrallinien neue Spektrallinien vorherzusagen, auch wenn diese neuen Linien (noch) nicht beobachtbar waren, beispielsweise aufgrund experimenteller Einschränkungen (in unzugänglichen Spektralbereichen). Allerdings wurden nicht alle auf diese Weise vorhergesagten Linien beobachtet, was später zur Entdeckung von verbotenen Übergängen führte.

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Die Rydberg-Formel gibt die Wellenlängen der Spektrallinien vieler chemischer Elemente an. Die Formel wurde vor allem als eine Verallgemeinerung der Balmer-Reihe für Wasserstoff vorgestellt. Sie wurde erstmals 1888 von Johannes Rydberg empirisch aufgestellt und schließlich 1913 von Niels Bohr theoretisch hergeleitet.

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Der sogenannte Schwarze Körper war in Wirklichkeit ein Loch in der Wand eines Platinkastens, der durch Blenden geteilt war und dessen Innenseite mit Eisenoxid geschwärzt war. Otto Lummer und Ferdinand Kurlbaum an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin hatten diese Hohlraumstrahlungsquelle perfektioniert, die ein wichtiger Bestandteil der immer weiter verbesserten Messungen der Frequenzverteilung von Licht- und Wärmestrahlung wurde, die zur Entdeckung des Planckschen Gesetzes führten.

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Im 19. Jahrhundert gab es viele Spekulationen über einen Zusammenhang zwischen Licht und elektromagnetischen Feldern. Pieter Zeeman beschäftigte sich seit den frühen 1890er Jahren mit dem Einfluss von Magnetfeldern auf Spektrallinien, aber erst 1896 überwand er alle experimentellen und instrumentellen Schwierigkeiten und beobachtete die Aufspaltung der extrem schmalen blau-grünen Cadmiumlinie bei 4678 Å in ein Triplett. Er verwendete ein konkaves Rowland-Reflexionsgitter und ein hohes Magnetfeld eines Rühmkorff-Magneten.

Die Aufspaltung wurde durch eine klassische Theorie von Hendrik Antoon Lorentz vorhergesagt, ebenso wie die Polarisationsrichtung der Komponenten. Allerdings schien die Aufspaltung der Linien viel zu groß zu sein, um die Annahme zu stützen, dass das Licht von einem oszillierenden „Ion“ ausgesandt wurde. Das oszillierende Objekt wurde zwar bald mit dem kürzlich entdeckten Elektron identifiziert, aber die Vorhersage der Lorentz-Theorie stimmte nur qualitativ mit der Beobachtung überein. Die meisten Versuche zeigten unterschiedliche Aufspaltungen in Dubletten, Quadrupletten usw. (anomaler Zeeman-Effekt), ein Phänomen, das erst 1925 verstanden wurde, als der halbzahlige Spin in die Quantenphysik eingeführt wurde.

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Der dringende Bedarf an verbesserten photometrischen Standards in der Glühbirnenindustrie - zu einer Zeit, als das Geschäft mit der Beleuchtung von Straßen und Gebäuden mit elektrischem Licht florierte - führte dazu, dass sich die Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Berlin der Erforschung der Strahlungsgesetze zuwandte. Hier wurden technologische Fortschritte wie das von Otto Lummer und Ferdinand Kurlbaum konstruierte Bolometer (das den Widerstand von vier hauchdünnen Platinfolien in einer Wheatstone-Brücke als Wärmedetektoren in einem bolometrischen Gerät nutzte, welches in der Lage war, Temperaturunterschiede bis zu \$\$10^{-7}\$\$ °C zu messen) wie auch die elektrisch beheizte Schwarzkörper- und Infrarotspektroskopie zu notwendigen Grundlagen, auf denen die Industrie, aber auch die physikalische Theorie aufbauen sollte.

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Die Strahlungsgleichung, die eine perfekte Übereinstimmung mit den neuesten experimentellen Werten lieferte, hatte Max Planck bereits im Oktober 1900 mit den formalen Konstanten \$\$c\$\$ und \$\$C\$\$ niedergeschrieben. Doch erst im Dezember 1900 führte er die später nach ihm benannte Konstante \$\$h\$\$ ein, jene universelle Konstante, die die Energiekomponente charakterisierte und garantierte, dass Energie und Frequenz proportional waren (\$\$E=h\nu\$\$). Gleichzeitig sorgte die Boltzmann-Konstante \$\$k\$\$ dafür, dass die Entropie eines Zustands proportional zu seiner Wahrscheinlichkeit war (\$\$S=k \log W\$\$).

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Im Jahr 1902 beobachtete Philipp Lenard, dass die Energie einzelner Elektronen, die von einer geladenen Metallplatte abgegeben werden, wenn sie Licht ausgesetzt wird, unabhängig von der Intensität des Lichts ist. Damit widerlegte er die Anwendbarkeit der Maxwellschen Wellentheorie auf das Licht. Seine Ergebnisse waren eher qualitativ als quantitativ, da die experimentellen Schwierigkeiten, die Oxidation der Metallplatte zu vermeiden und die Vakuumtechnik zu beherrschen, erheblich waren.

Diese experimentellen Ergebnisse bildeten den Ausgangspunkt für Albert Einstein, der den photoelektrischen Effekt mit einem Korpuskularmodell interpretierte, und so das Konzept des Lichtquants entwickelte.

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Das Phänomen der Radioaktivität wurde seit 1896 beobachtet, aber erst im Jahr 1902 wurde das exponentielle Zerfallsgesetz durch Experimente von Ernest Rutherford und Frederick Soddy identifiziert, die \$\$I_t/I_0 = e^{-\lambda t}\$\$ fanden.

​ Als Ronald Gurney und Edward Condon 1928 den Zerfall schließlich quantenmechanisch erklären konnten, beschrieben sie die Entwicklung der Erkenntnisse wie folgt Nach 1902 „... wurde bald klar, dass der Zeitpunkt des Zerfalls eines Atoms unabhängig von der Vorgeschichte des Atoms ist und allein vom Zufall abhängt. ... Bis dahin war es notwendig, eine besondere willkürliche 'Instabilität' des Kerns zu postulieren; aber in der folgenden Notiz wird darauf hingewiesen, dass der Zerfall eine logische Konsequenz der Gesetze der Quantenmechanik ist, ohne dass es einer besonderen Hypothese bedarf.“

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Das Atom ist so leer wie der Kosmos und enthält winzige Teilchen wie Elektronen und „Dynamiden“ anstelle von Sternen und Planeten. Zu diesem Schluss kam Philip Lenard 1903 nach umfangreichen Experimenten mit Kathodenstrahlen, welche scheinbar feste Materie nahezu unbeeinflusst durchdrangen.

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Zur Erklärung des photoelektrischen Effekts und verschiedener anderer Experimente schlug Albert Einstein 1905 versuchsweise eine Quantifizierung der Energie (und später des Impulses) des Lichts vor. Er nannte diese Annahme von „Lichtquanten“ eine heuristische Sichtweise, um zu betonen, wie unsicher diese kühne Annahme war, da sie das Licht in Energiepakete zerlegte, während in Maxwells äußerst erfolgreicher elektromagnetischer Theorie Licht und andere Formen elektromagnetischer Wellen als räumlich und energetisch rein kontinuierlich angesehen wurden.

In späteren Experimenten von James Franck und Gustav Hertz, von Robert Millikan oder Arthur Compton erwies sich diese Annahme ebenfalls als zutreffend, obwohl keineswegs klar war, wie man sie konzeptualisieren sollte. Die Suche nach geeigneten mentalen Modellen für Lichtquanten (oder Photonen, wie sie ab 1926 genannt wurden) beschäftigte Einstein und viele andere Physiker für den Rest ihres Lebens.

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Es gibt zwar viele Beispiele dafür, dass mathematische Strukturen und Werkzeuge schon lange vor ihrer Anwendung in der Physik entwickelt wurden, aber es ist erstaunlich, in welchem Umfang David Hilberts Theorie der Integralgleichungen die mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik vorbereitet und sogar die relevanten Begriffe „Eigenwerte“ und „Spektrum“ eingeführt hat, die dann den scharfen Energiewerten und atomaren Spektren entsprechen würden.

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