Startseite
Forum
Fragen
Suchen
Formeleditor
Über Uns
Registrieren
Login
FAQ
Suchen
Foren-Übersicht
->
Quantenphysik
Antwort schreiben
Benutzername
(du bist
nicht
eingeloggt!)
Titel
Nachrichtentext
Smilies
Weitere Smilies ansehen
Schriftfarbe:
Standard
Dunkelrot
Rot
Orange
Braun
Gelb
Grün
Oliv
Cyan
Blau
Dunkelblau
Indigo
Violett
Weiß
Schwarz
Schriftgröße:
Schriftgröße
Winzig
Klein
Normal
Groß
Riesig
Tags schließen
Schreibt eure Formeln hier im Board am besten mit Latex!
So gehts:
Latex-Kurzbeschreibung
|
Formeleditor
[quote="DrStupid"][quote="Sonnenwind"]Auf der anderen Seite ist hier niemand fähig mir zu erklären, wie ein glühendes Stück Eisen in einer Welt ohne Photonen, also nur mit klassischem EM-Feld, aussehen würde.[/quote] Das wurde Dir bereits erklärt. Du willst es nur nicht wahr haben und erklärst einfach alles, was Dir nicht in den Kram passt, für "Mumpitz". Aus meiner Sicht wurde das Thema erschöpfend behandelt und wir fangen an uns im Kreis zu drehen. Deshalb bin ich hier raus.[/quote]
Optionen
HTML ist
aus
BBCode
ist
an
Smilies sind
an
BBCode in diesem Beitrag deaktivieren
Smilies in diesem Beitrag deaktivieren
Spamschutz
Text aus Bild eingeben
Alle Zeiten sind GMT + 1 Stunde
Gehe zu:
Forum auswählen
Themenbereiche
----------------
Mechanik
Elektrik
Quantenphysik
Astronomie
Wärmelehre
Optik
Sonstiges
FAQ
Sonstiges
----------------
Off-Topic
Ankündigungen
Thema-Überblick
Autor
Nachricht
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 17:23
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ich weiß gar nicht mehr, worum es hier geht. Der Gleichverteilungssatz ist jedenfalls völliger Mumpitz, da ein freies oder auch eingesperrtes EM-Feld unabhängig in seinen Moden schwingt, ohne das Bestreben zu haben, seine Energie auf die Moden aufzuteilen.
Natürlich teilt es seine Energie unter den Moden auf, nur eben anders als klassisch, nämlich gemäß Planck.
Der Gleichverteilungssatz ist auch nicht Mumpitz, man erhält ihn ja tatsächlich für gewisse Grenzfälle zurück.
Entweder argumentierst du also korrekt gemäß Planck, oder gar nicht, denn was anderes weißt du nicht.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Auf der anderen Seite ist hier niemand fähig mir zu erklären, wie ein glühendes Stück Eisen in einer Welt ohne Photonen, also nur mit klassischem EM-Feld, aussehen würde.
Wie soll das gehen? Die klassische statistischen Mechanik ist für das elektromagnetische Feld
FALSCH
; das wissen wir seit über hundert Jahren. Was du wissen möchtest, entspräche also weder der statistischen Mechanik für die klassischen Elektrodynamik (die ist Quatsch), noch Planck (das ist richtig). Es wäre also irgendwas anderes, pure Phantasie, aber eben auch falsch.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 17:21
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Auf der anderen Seite ist hier niemand fähig mir zu erklären, wie ein glühendes Stück Eisen in einer Welt ohne Photonen, also nur mit klassischem EM-Feld, aussehen würde.
Das wurde Dir bereits erklärt. Du willst es nur nicht wahr haben und erklärst einfach alles, was Dir nicht in den Kram passt, für "Mumpitz". Aus meiner Sicht wurde das Thema erschöpfend behandelt und wir fangen an uns im Kreis zu drehen. Deshalb bin ich hier raus.
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 17:15
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Machen wir es mal umgekehrt. Ich definiere "semiklassische Welt" als eine Welt, in der zwar die Quantentheorie gilt (sonst gäbe es keine feste Materie), aber keine Photonen ... Dann zeigt das Spektrum eines glühenden Körpers einfach dessen brownsche Bewegung und somit ein Spektrum mit Maximum irgendwo in der Mitte.
Kannst du das mal für einen glühenden Gasball wie die Sonne skizzieren?
Es ist nämlich gerade
nicht
so, dass das Spektrum des elektromagnetischen Feldes der Energieverteilung des Gases entspricht.
Vergleicht man Maxwell-Boltzmann und Planck (bis auf die Vorfaktoren, die bei Integration über die Energie identisch werden), so wird der Unterschied für kleine Temperaturen groß, die Idee, dass das Spektrum dem klassischen entspricht, also falsch.
Deine Argumentation mit einer klassischen Verteilung für das elektromagnetische Feld ist also auch falsch - nur anders falsch als bei Raleigh und Jeans.
Jakito
Verfasst am: 22. Okt 2025 17:14
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ich weiß gar nicht mehr, worum es hier geht. Der Gleichverteilungssatz ist jedenfalls völliger Mumpitz, da ein freies oder auch eingesperrtes EM-Feld unabhängig in seinen Moden schwingt, ohne das Bestreben zu haben, seine Energie auf die Moden aufzuteilen.
Auf der anderen Seite ist hier niemand fähig mir zu erklären, wie ein glühendes Stück Eisen in einer Welt ohne Photonen, also nur mit klassischem EM-Feld, aussehen würde.
Ganz ohne Quantisierung würde es zumindest zu UV-Katastrophe kommen, was konkret bedeutet, dass der quasi-Gleichgewichtszustand des idealen schwarzen Körpers nicht existiert. Das angenommene Strahlungsgleichgewichts kann also nie erreicht werden, weil das Rauschen immer höherfrequenter wird.
Um diese UV-Katastrophe zu vermeiden, reicht es aber vermutlich bereits, dass die Strahlungsabgabe der gebundenen Elektronen quantisiert ist.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 17:02
Titel:
Ich weiß gar nicht mehr, worum es hier geht. Der Gleichverteilungssatz ist jedenfalls völliger Mumpitz, da ein freies oder auch eingesperrtes EM-Feld unabhängig in seinen Moden schwingt, ohne das Bestreben zu haben, seine Energie auf die Moden aufzuteilen.
Auf der anderen Seite ist hier niemand fähig mir zu erklären, wie ein glühendes Stück Eisen in einer Welt ohne Photonen, also nur mit klassischem EM-Feld, aussehen würde.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 16:54
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Die Strahlung werde durch beschleunigte Ladungen durch Bremsstrahlung erzeugt. Dann zeigt das Spektrum eines glühenden Körpers einfach dessen brownsche Bewegung und somit ein Spektrum mit Maximum irgendwo in der Mitte.
Kannst Du das ohne Quantenmechanik - insbesondere ohne E=h·f - herleiten?
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 16:41
Titel:
Deine Argumentation läuft immer darauf hinaus, dass die klassische Argumentation irgendwann falsch wird; dem widerspricht auch niemand.
Betrachte N ungekoppelte harmonischen Oszillatoren in einer Dimension.
Im Hochtemperatur-Grenzfall liefert die quantenmechanische Betrachtung den klassischen Wert + exponentiell unterdrückte Korrekturen; der Gleichverteilungssatz gilt.
Im Tieftemperatur-Limes erhält man quantenmechanisch N * Nullpunktsenergie, d.h. eine T-unabhängige Konstante, klassisch dagegen N * kT; der klassische Gleichverteilungssatz ist falsch.
Aber die Quantisierung war damals eben noch nicht bekannt. Es war ja noch nicht mal klar, dass die einzelnen Frequenzen separat als Freiheitsgrade anzusehen sind und dass die Energie jeweils proportional zur Frequenz anzusetzen ist.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 16:36
Titel:
Machen wir es mal umgekehrt. Ich definiere "semiklassische Welt" als eine Welt, in der zwar die Quantentheorie gilt (sonst gäbe es keine feste Materie), aber keine Photonen. Die Strahlung werde durch beschleunigte Ladungen durch Bremsstrahlung erzeugt. Dann zeigt das Spektrum eines glühenden Körpers einfach dessen brownsche Bewegung und somit ein Spektrum mit Maximum irgendwo in der Mitte. Kein Grund für Photonen.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 16:09
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Von mir aus kann man ja annehmen, dass im thermischen Gleichgewicht alle Freiheitsgrade diesselbe Energie speichern, wenn sie wie die drei Raumrichtungen symmetrisch sind.
Das ist nicht meine Annahme, sondern eine Aussage der klassischen statistischen Mechanik und Grundlage des Rayleigh-Jeans-Gesetzes. Wenn Du das nicht wahr haben willst, dann ist diese Diskussion hier sinnlos.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 15:47
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Vielleicht verstehst Du es mit einem idealen Gas als Analogie. Wenn ich das in einen Behälter fülle, dann tauschen Behälter und Gas so lange Wärme aus, bis sie die gleiche Temperatur haben. Für den Gleichgewichtszustand, den das Gas dabei erreicht, ist es vollkommen unerheblich, wie der Behälter beschaffen ist und wie der Wärmeaustausch im Detail abläuft. Der Zustand des Gases ergibt sich allein aus seinen eigenen Eigenschaften:
Jedes Teilchen hat drei Freiheitsgrade. Nach dem Gleichverteilungssatz hat im thermischen Gleichgewicht jeder dieser Freiheitsgrade die mittlere Energie <Formeln>...
Von mir aus kann man ja annehmen, dass im thermischen Gleichgewicht alle Freiheitsgrade diesselbe Energie speichern, wenn sie wie die drei Raumrichtungen symmetrisch sind.
Grund- und Oberschwingungen sind aber nicht symmetrisch. Das triviale Beispiel einer angeschlagenen Gitarrensaite zeigt ja schon, dass die Energie sich nicht gleichverteilt auf alle Moden aufteilt. Die Moden sind sogar unabhängig.
Beim EM-Feld natürlich das Gleiche. Monochromatisches Licht bleibt auch monochromatisch und teilt sich nicht allmählich in seine Oberschwingungen auf.
Dass beim EM-Feld beliebig hohe Frequenzen
möglich
sind ist kein Argument für irgendwas.
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 15:14
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ein Schwarzer Körper ist immer noch ein Körper. Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Erkläre doch bitte mal so ganz praktisch, wie Du einen Schwarzen Körper herstellen willst, ohne dass die Wandung die Quelle der Strahlung ist.
Das ist nicht die Frage. Es geht um die statistische Mechanik des Strahlungsfeldes
alleine
.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Da wird irgendein Axiom angenommen.
Ja, natürlich gibt es fundamentalere Prinzipien. Und diese müssen im vorliegenden Fall falsch sein, andernfalls läge eine unendliche Energiedichte vor.
Dies galt es zu lösen.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Klassisch gerechnet würde sich niemals ein thermisches Gleichgewicht zwischen Körper und Hohlraumstrahlung einstellen, weil nicht genug Energie vorhanden ist, um
alle
Freiheitsgrade aufzufüllen.
Jetzt denkst du quantenmechanisch, und damit hast du die Grenzen des Theorems erkannt.
Wenn du ein System von paarweise durch Federn verbundene identische Massen betrachtest, dann hast du als Freiheitsgrade die Translation des Massenmittelpunktes, die starre Rotation um eine Achse durch den Massenmittelpunkt und die Schwingung des Oszillators = der Feder. Es sind
alle
Freiheitsgrade erreichbar und gleichermaßen angeregt.
Im analogen quantenmechanischen System sind die Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade quantisiert, jede Anregung zählt als eigener Freiheitsgrad, und natürlich sind energetisch höhere Anregungszustände "
effektiv eingefroren
". In der Zustandssumme des kanonischen Ensembles (feste Temperatur durch Kontakt mit einem Reservoir dieser Temperatur) sind diese
unendlich vielen
Zustände vorhanden und mit von Null verschiedener Wahrscheinlichkeit besetzt.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 15:01
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Erkläre doch bitte mal so ganz praktisch, wie Du einen Schwarzen Körper herstellen willst, ohne dass die Wandung die Quelle der Strahlung ist.
Wozu? Die Wandung ist die Quelle der Strahlung. Niemand hat hier etwas anderes behauptet
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Weiter oben war die Wechselwirkung mit der Wandung noch egal und jetzt ist sie wichtig.
Du musst aufmerksamer lesen, was ich schreibe. Ich sagte "
wie genau
sie mit dem Strahlungsfeld interagiert, ist aber egal". Ich habe nicht geschrieben, dass sie vollkommen egal ist.
Vielleicht verstehst Du es mit einem idealen Gas als Analogie. Wenn ich das in einen Behälter fülle, dann tauschen Behälter und Gas so lange Wärme aus, bis sie die gleiche Temperatur haben. Für den Gleichgewichtszustand, den das Gas dabei erreicht, ist es vollkommen unerheblich, wie der Behälter beschaffen ist und wie der Wärmeaustausch im Detail abläuft. Der Zustand des Gases ergibt sich allein aus seinen eigenen Eigenschaften:
Jedes Teilchen hat drei Freiheitsgrade. Nach dem Gleichverteilungssatz hat im thermischen Gleichgewicht jeder dieser Freiheitsgrade die mittlere Energie
Für N Teilchen ergibt das insgesamt einen Anteil von
an der innere Energie des Gases. Das war es auch schon. Mehr braucht man dafür nicht. Details über die Eigenschaften des Behälters oder den Energieaustausch zwischen Behälter und Gas gehen in keiner Weise in die Rechnung ein.
Beim Rayleigh-Jeans-Gesetz geht man genauso vor. Hier ergeben sich die Freiheitsgrade aus den stehenden Wellen, die in einem begrenzen Volumen möglich sind. Auch hier hat jeder Freiheitsgrad die Energie
. Weil aber theoretisch unendlich viele stehende Wellen in ein endliches Volumen passen, ergibt das eine unendliche Energiedichte.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 14:14
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Über nichts, was zum Thema gehört. Die räumliche Begrenzung ist notwendig. Woraus sie besteht, was darin passiert und wie genau sie mit dem Strahlungsfeld interagiert, ist aber egal.
Nein, ist es nicht, denn sie muss ja die Energie nachliefern, die durch das Loch verloren geht, bzw. erstmal überhaupt heizen.
"Nein, ist es nicht" klingt nach einen Widerspruch, aber was Du danach schreibst, genügt nicht als Begründung. Bitte erkläre nachvollziehbar, welches Problem Du mit meienr Aussage hast.
Erkläre doch bitte mal so ganz praktisch, wie Du einen Schwarzen Körper herstellen willst, ohne dass die Wandung die Quelle der Strahlung ist.
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Das ist jetzt nicht Dein Ernst? Wenn ich eine EM-Welle zwischen zwei Spiegeln habe und von der Dämpfung absehe, dann hüpft die klassisch gesehen in immer weitere Oberschwingungen?
Wenn Du von der Dämpfung absiehst, dann bist Du nicht mehr beim Thema. Das Strahlungsfeld steht in Wechselwirkung mit dem schwarzen Körper.
Weiter oben war die Wechselwirkung mit der Wandung noch egal und jetzt ist sie wichtig.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 14:03
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Über nichts, was zum Thema gehört. Die räumliche Begrenzung ist notwendig. Woraus sie besteht, was darin passiert und wie genau sie mit dem Strahlungsfeld interagiert, ist aber egal.
Nein, ist es nicht, denn sie muss ja die Energie nachliefern, die durch das Loch verloren geht, bzw. erstmal überhaupt heizen.
"Nein, ist es nicht" klingt nach einen Widerspruch, aber was Du danach schreibst, genügt nicht als Begründung. Bitte erkläre nachvollziehbar, welches Problem Du mit meienr Aussage hast.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Das ist jetzt nicht Dein Ernst? Wenn ich eine EM-Welle zwischen zwei Spiegeln habe und von der Dämpfung absehe, dann hüpft die klassisch gesehen in immer weitere Oberschwingungen?
Wenn Du von der Dämpfung absiehst, dann bist Du nicht mehr beim Thema. Das Strahlungsfeld steht in Wechselwirkung mit dem schwarzen Körper.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 13:49
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Über nichts, was zum Thema gehört. Die räumliche Begrenzung ist notwendig. Woraus sie besteht, was darin passiert und wie genau sie mit dem Strahlungsfeld interagiert, ist aber egal.
Nein, ist es nicht, denn sie muss ja die Energie nachliefern, die durch das Loch verloren geht, bzw. erstmal überhaupt heizen.
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn ich meinen Ofen aufheize, bis die Temperatur konstant bleibt und öffne den dann, kann ich dann aus der Tatsache, dass nicht durch unendlich viel Energie die ganze Welt verbrannt wird, auf die Quantenstruktur der EM-Strahlung schließen?
Nein. Ich habe oben bereits begründet, warum man auch in der klassischen Physik keine unendliche Energie erwartet. Aber das muss man auch nicht, um festzustellen, dass hier etwas nicht-klassisches vor sich geht. Dafür genügt im Grunde schon die Beobachtung, dass das Strahlungsfeld überhaupt einen Gleichgewichtszustand erreicht.
Klassisch wäre ja zu erwarten, dass sich sein Spektrum unaufhörlich in Richtung kürzerer Wellenlängen ausdehnt.
Das ist jetzt nicht Dein Ernst? Wenn ich eine EM-Welle zwischen zwei Spiegeln habe und von der Dämpfung absehe, dann hüpft die klassisch gesehen in immer weitere Oberschwingungen?
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 13:36
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ein Schwarzer Körper ist immer noch ein Körper.
Beim Rayleigh-Jeans-Gesetz geht es aber nicht um den schwarzen Körper, sondern um die Hohlraumstrahlung und die ist immer noch Strahlung.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Über nichts, was zum Thema gehört. Die räumliche Begrenzung ist notwendig. Woraus sie besteht, was darin passiert und wie genau sie mit dem Strahlungsfeld interagiert, ist aber egal.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wenn ich meinen Ofen aufheize, bis die Temperatur konstant bleibt und öffne den dann, kann ich dann aus der Tatsache, dass nicht durch unendlich viel Energie die ganze Welt verbrannt wird, auf die Quantenstruktur der EM-Strahlung schließen?
Nein. Ich habe oben bereits begründet, warum man auch in der klassischen Physik keine unendliche Energie erwartet. Aber das muss man auch nicht, um festzustellen, dass hier etwas nicht-klassisches vor sich geht. Dafür genügt im Grunde schon die Beobachtung, dass das Strahlungsfeld überhaupt einen Gleichgewichtszustand erreicht. Klassisch wäre ja zu erwarten, dass sich sein Spektrum unaufhörlich in Richtung kürzerer Wellenlängen ausdehnt.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 13:13
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
In Wirklichkeit haben wir eine brownsche Bewegung im erhitzten Körper [...]
Du bist im falschen Film. Wir reden hier über ein Strahlungsfeld.
Das glaube ich nicht. Ein Schwarzer Körper ist immer noch ein Körper. Wenn man die Wandung wegnimmt, von was reden wir denn dann noch?
Wenn ich meinen Ofen aufheize, bis die Temperatur konstant bleibt und öffne den dann, kann ich dann aus der Tatsache, dass nicht durch unendlich viel Energie die ganze Welt verbrannt wird, auf die Quantenstruktur der EM-Strahlung schließen?
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 13:03
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
In Wirklichkeit haben wir eine brownsche Bewegung im erhitzten Körper [...]
Du bist im falschen Film. Wir reden hier über ein Strahlungsfeld.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 12:23
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso sollte da irgendetwas gleichverteilt sein?
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichverteilungssatz
Da wird irgendein Axiom angenommen.
In Wirklichkeit haben wir eine brownsche Bewegung im erhitzten Körper und durch den Zusammenstoß der Moleküle werden diese verformt und damit polar und beschleunigt und geben Bremsstrahlung ab. Für die Bremsstrahlung gibt es natürlich auch eine klassische Formel.
Die abgestrahlte Energie entspricht also der brownschen Bewegung und ist deswegen
ganz klassisch
noch oben begrenzt.
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 12:17
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso sollte da irgendetwas gleichverteilt sein?
https://en.wikipedia.org/wiki/Equipartition_theorem
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 12:07
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso sollte da irgendetwas gleichverteilt sein?
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichverteilungssatz
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 12:02
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso ist es nur dann ein thermisches Gleichgewicht, wenn alle denkbaren Wellenlängen in einem Kasten sind?
Aus welchem Grund sollten denn welche fehlen? Die einzige Einschränkung für stehende Wellen sind Wellenknoten an den Wänden des Hohlraums. Jede Wellenlänge, die dieses Kriterium erfüllt, stellt einen Freiheitsgrad dar und nach dem Gleichverteilungssatz der Thermodynamik sollte jeder Freiheitsgrad die gleiche mittlere Energie besitzen.
Wieso sollte da irgendetwas gleichverteilt sein? Könnte mir bitte jemand mal anhand der brownschen Bewegung zeigen, wie sich die Energie auf alle Bewegungszustände gleichmäßig verteilt? Ist ja auch unmöglich, da die Energie eines Moleküls nach oben nicht begrenzt ist.
In einem einfachen Kugelmodell in einem Topf, den ich schüttle, ist ja auch keine gleichmäßige Verteilung der kinetischen Energie bis ins Unendliche vorhanden.
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 11:34
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Was sollte die Energieabstrahlung eines Körpers damit zu tun haben, dass ich alle Wellenlängen aufsummiere?
Das frage ich Dich. Du hast die Energieabstrahlung ins Spiel gebracht. In der Herleitung des Rayleigh-Jeans-Gesetzes taucht sie nicht auf. Da geht es nur um die Hohlraumstrahlung selbst.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso ist es nur dann ein thermisches Gleichgewicht, wenn alle denkbaren Wellenlängen in einem Kasten sind?
Aus welchem Grund sollten denn welche fehlen? Die einzige Einschränkung für stehende Wellen sind Wellenknoten an den Wänden des Hohlraums. Jede Wellenlänge, die dieses Kriterium erfüllt, stellt einen Freiheitsgrad dar und nach dem Gleichverteilungssatz der Thermodynamik sollte jeder Freiheitsgrad die gleiche mittlere Energie besitzen.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Für mich ist ein thermisches Gleichgewicht, wenn der Schwarze Körper soviel Energie abstrahlt, wie er gerade aufnimmt.
Für die Thermodynamik ist ein thermisches Gleichgewicht durch die Gleichheit der Temperatur charakterisiert.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ich stelle einen schwarzen Kasten mit Loch auf die Herdplatte und beobachte die Strahlung, die aus dem Loch kommt. Klassisch gerechnet würde mich die Strahlung also sofort verbrennen?
Klassisch gerechnet würde sich niemals ein thermisches Gleichgewicht zwischen Körper und Hohlraumstrahlung einstellen, weil - wie Du oben selbst begründet hast - nicht genug Energie vorhanden ist, um alle Freiheitsgrade aufzufüllen. Stattdessen würde man einen stationären Zustand erwarten, dessen Energieverteilung u.a. von der Größe des Loches abhängt. Experimente zeigen aber etwas anderes.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 11:13
Titel:
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Dabei wird nicht berücksichtigt, wie die Wechselwirkung konkret abläuft, sondern es werden einfach alle stehende Wellen aufsummiert, die in einen Hohlraum passen. Bei großen Wellenlängen funktioniert das ganz gut, aber wenn die Wellenlänge gegen Null geht, dann geht die Zahl möglicher stehender Wellen - und damit auch die in ihnen steckende Energie - gegen unendlich.
Ich verstehe immer noch nur Bahnhof. Was sollte die Energieabstrahlung eines Körpers damit zu tun haben, dass ich alle Wellenlängen aufsummiere? Wieso ist es nur dann ein thermisches Gleichgewicht, wenn alle denkbaren Wellenlängen in einem Kasten sind? Für mich ist ein thermisches Gleichgewicht, wenn der Schwarze Körper soviel Energie abstrahlt, wie er gerade aufnimmt.
Ich stelle einen schwarzen Kasten mit Loch auf die Herdplatte und beobachte die Strahlung, die aus dem Loch kommt. Klassisch gerechnet würde mich die Strahlung also sofort verbrennen?
TomS
Verfasst am: 22. Okt 2025 10:47
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Ausgangspunkt war die die Betrachtung des klassischen elektromagnetischen Feldes, bei dem die Energiedichte proportional zur Intensität bzw. zum Quadrat der Feldstärke sein sollte. Diese Überlegung führt für Hohlraumstrahlung auf die so genannte Ultraviolett-Katastrophe, das nämlich das Integral über alle Frequenzen eine unendliche Energie liefert.
Ich verstehe die ganze Sache mit der Schwarzkörperstrahlung und der Ultraviolett-Katastrophe nicht. Wenn man einen Gegenstand erhitzt, so haben doch dessen Molekül-Geschwindigkeiten die Maxwell-Boltzmann-Verteilung (ich weiß nicht, wie das bei Festkörpern heißt) und es werden für höhere Geschwindigkeiten immer weniger Moleküle.
Wieso sollten die unendlich viel Energie abstrahlen können, wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre?
Das folgt nicht aus der Betrachtung der Wände des Hohlraums also dem Körper einer gewissen Temperatur, sondern alleine aus der Betrachtung der klassischen Strahlung im thermischen Gleichgewicht:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_catastrophe
DrStupid
Verfasst am: 22. Okt 2025 10:29
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wieso sollten die unendlich viel Energie abstrahlen können, wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre?
Das ist nicht die Aussage des Rayleigh-Jeans-Gesetzes. Es beschreibt nicht wie viel Energie ein Körper abstrahlt, sondern wie viel Energie in einem Strahlungsfeld steckt, mit dem er im thermischen Gleichgewicht steht. Dabei wird nicht berücksichtigt, wie die Wechselwirkung konkret abläuft, sondern es werden einfach alle stehende Wellen aufsummiert, die in einen Hohlraum passen. Bei großen Wellenlängen funktioniert das ganz gut, aber wenn die Wellenlänge gegen Null geht, dann geht die Zahl möglicher stehender Wellen - und damit auch die in ihnen steckende Energie - gegen unendlich.
Deine Überlegung kommt erst ins Spiel, wenn man davon ausgeht, dass die Energie im Strahlungsfeld nicht über alle Wellenlängen gleichverteilt ist, sondern aus Quanten besteht, deren Wellenlänge von der Energie abhängt.
Sonnenwind
Verfasst am: 22. Okt 2025 07:43
Titel:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Ausgangspunkt war die die Betrachtung des klassischen elektromagnetischen Feldes, bei dem die Energiedichte proportional zur Intensität bzw. zum Quadrat der Feldstärke sein sollte. Diese Überlegung führt für Hohlraumstrahlung auf die so genannte Ultraviolett-Katastrophe, das nämlich das Integral über alle Frequenzen eine unendliche Energie liefert.
Ich verstehe die ganze Sache mit der Schwarzkörperstrahlung und der Ultraviolett-Katastrophe nicht. Wenn man einen Gegenstand erhitzt, so haben doch dessen Molekül-Geschwindigkeiten die Maxwell-Boltzmann-Verteilung (ich weiß nicht, wie das bei Festkörpern heißt) und es werden für höhere Geschwindigkeiten immer weniger Moleküle.
Wieso sollten die unendlich viel Energie abstrahlen können, wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre?
TomS
Verfasst am: 21. Okt 2025 14:30
Titel:
Aruna hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Das war letztlich bereits die Frage von Planck, ob nämlich nur die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie quantisiert ist, oder die Strahlung selbst. Planck meinte ersteres, Einstein zeigte durch die Überlegungen zum photoelektrischen Effekt letzteres.
kannst Du Einsteins Überlegungen bzw. Beweis hier kurz darstellen?
Ausgangspunkt war die die Betrachtung des klassischen elektromagnetischen Feldes, bei dem die Energiedichte proportional zur Intensität bzw. zum Quadrat der Feldstärke sein sollte. Diese Überlegung führt für Hohlraumstrahlung auf die so genannte Ultraviolett-Katastrophe, das nämlich das Integral über alle Frequenzen eine unendliche Energie liefert.
Plancks Idee bestand darin, anzunehmen, dass das elektromagnetische Feld in einem Hohlraum nur in Energiequanten = diskreten Portionen vorkommen kann, und dass die Energie eines solchen Energiequants proportional zur Frequenz der Schwingung des Feldes sein soll. Eine Berechnung der Hohlraumstrahlung auf Basis dieser Annahme führt auf einen endlichen Wert, sowie auf das korrekte Spektrum.
Planck nahm dabei an keiner Stelle an, dass lokalisierte Teilchen vorliegen, und er nahm nicht an, dass diese Quantelung allgemeingültig sein müsse. Er setzte dies lediglich für das spezielle Problem der Hohlraumstrahlung voraus, was die Möglichkeit zulässt, dass die Quantelung ein Effekt im Zuge der Wechselwirkung bzw. der Erzeugung der Strahlung ist.
Im Falle des photoelektrischen Effektes (sowie des Compton-Effektes, d.h. der Streuung von Licht an freien Elektronen) muss diese Idee jedoch aufgegeben werden. Hier sollte die auf ein Elektron übertragene Energie proportional zu dieser Intensität I der einfallenden Strahlung sein, d.h. man erwartet für die gemessene kinetische Energie einzelne Elektronen
wobei k eine Proportionalitätkonstante und W_A die so genannte Arbeit ist, die einem Elektronen zugeführt werden muss, damit es aus dem Metall herausgelöst wird.
Tatsächlich findet man experimentell, jedoch den Zusammenhang
wobei f die Frequenz des elektromagnetischen Feldes ist, und h eine materialunabhängige, universelle Proportionalitätskonstante. Außerdem findet man, dass statt der Energie die Anzahl der herausgelösten Elektronen von der Intensität abhängt.
Einstein erklärte den Effekt also ebenfalls durch Energiequanten des elektromagnetischen Feldes, die jedoch unabhängig von der Wechselwirkung vorliegen. Er verwendet dabei in der Berechnung an keiner Stelle lokalisierte Teilchen; tatsächlich hatte er kein mikroskopisches Modell für die Wechselwirkung.
Heute wissen wir, dass die aus einem Metall herausgelösten Elektronen aus dem Leitungsband stammen und damit über den gesamten Festkörper delokalisiert sind. Außerdem wissen wir, dass das naive Bild lokalisierter Teilchen für die Energiequanten = Photonen falsch ist.
https://upload.wikimedia.org/wikisource/en/3/3d/%C3%9Cber_einen_die_Erzeugung_und_Verwandlung_des_Lichtes_betreffenden_heuristischen_Gesichtspunkt.pdf
TomS
Verfasst am: 21. Okt 2025 14:00
Titel:
An der Stelle bietet es sich an, wieder einmal die Bemerkung einzustreuen, dass kein Moderator dazu gezwungen ist, blödsinnige Beiträge, die die Diskussion stören, in allen Einzelheiten zu diskutieren, bevor sie gelöscht werden.
Aruna
Verfasst am: 21. Okt 2025 07:58
Titel:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Das war letztlich bereits die Frage von Planck, ob nämlich nur die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie quantisiert ist, oder die Strahlung selbst. Planck meinte ersteres, Einstein zeigte durch die Überlegungen zum photoelektrischen Effekt letzteres.
kannst Du Einsteins Überlegungen bzw. Beweis hier kurz darstellen?
TomS
Verfasst am: 20. Okt 2025 13:21
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
1) Ein Wellenpaket würde sich aber bei einer Zentralquelle verdünnen.
Ja.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
[2) Warum sollte ein Wellenpaket genau die Energie h * f_Durchschnitt haben?
Das Wellenpaket hat eine endliche Breite, die Frequenz ist unscharf.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Wie kommt man durch eine Quantisierungsbedingung zu einem solchen Wellenpaket?
Die Quantisierungsbedingung ist eine abstrakte mathematische Bedingung.
Die Gleichung
ist nicht fundamental und gilt in der QED bzw. bereits in der QM nicht allgemein. Quantenmechanische Systeme liegen in der Natur nicht in exakt scharfen Energieeigenzuständem vor, das ist eigtl. ein Artefakt der Modellierung.
Realistische Zustände für das Photonfeld werden abhängig von der jeweiligen Quelle mittels Superposition von Fockzuständen exakt scharfer Energie definiert, sind jedoch nicht einem solchen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Single-photon_source
Sonnenwind
Verfasst am: 20. Okt 2025 12:45
Titel:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Was ist es denn nun, dieses Photon?
Je nach Erzeugung ein mehr oder weniger lokalisiertes "Wellenpaket".
1) Ein Wellenpaket würde sich aber bei einer Zentralquelle verdünnen.
2) Warum sollte ein Wellenpaket genau die Energie h * f_Durchschnitt haben? Wie kommt man durch eine Quantisierungsbedingung zu einem solchen Wellenpaket?
TomS
Verfasst am: 20. Okt 2025 12:25
Titel:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Die Quantisierung des elektromagnetischen Felde insbs. dann relevant, wenn der beteiligte Festkörper kein diskretes Spektrum liefert
– siehe zum Beispiel den photoelektrischen Effekt – oder wenn die Intensität des elektromagnetischen Feldes extrem niedrig ist, so dass die Quantennatur zum Tragen kommt.
Bei Molekülen ist ersteres nicht der Fall
, bei Sonnenlicht letzteres nicht.
Das heißt dann, wir würden deswegen bei unquantisiertem Licht auch Sternenlicht sehen?
Jein.
Wir würden elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich sehen. Sternenlicht in dieser Form würde es aus diversen Gründen in der bekannten Form nicht geben. Es gäbe zumindest keine thermische elektromagnetische Strahlung in einer der diskutierten Formen, da dies entweder zu Inkonsistenzen führt oder der Quantisierung bedarf – das war ja der Ausgangspunkt von Plancks Überlegungen.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Dann zur Quantisierung direkt. Nach Einstein sind es Teilchen, zumindest etwas Lokalisiertes.
Nach Einstein sind es Pakete diskreter Energie. Ob in dem Paper von 1905 von Lokalisierung oder Teilchen die Rede ist, weiß ich nicht. Notwendig für die mathematische Argumentation ist es nicht.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Nach der QFT sind Photonen scharfer Frequenz unendlich ausgedehnte Wellenzüge, die dann bei Absorption aus dem Photonenfeld entnommen werden, das würde aber die Lokalität sofort verletzen. Auch bei unscharfer Frequenz wäre es eine Glockenkurve, die bei instantaner Absorption die Lokalität verletzen würde.
Aus der Quantenoptik wissen wir, dass das einfache mathematische Modell exakt scharfer Frequenz und daher unendlich ausgedehnter ebener Wellen nicht zutreffend ist; man betrachtet realistischere Modelle für das Photon. Notwendig ist das auch nicht, lediglich einfach und daher verbreitet im Kontext von Streutheorie und Teilchenphysik.
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Was ist es denn nun, dieses Photon?
Je nach Erzeugung ein mehr oder weniger lokalisiertes "Wellenpaket".
Sonnenwind
Verfasst am: 20. Okt 2025 09:58
Titel:
TomS hat Folgendes geschrieben:
Die Quantisierung des elektromagnetischen Felde insbs. dann relevant, wenn der beteiligte Festkörper kein diskretes Spektrum liefert
– siehe zum Beispiel den photoelektrischen Effekt – oder wenn die Intensität des elektromagnetischen Feldes extrem niedrig ist, so dass die Quantennatur zum Tragen kommt.
Bei Molekülen ist ersteres nicht der Fall
, bei Sonnenlicht letzteres nicht.
Das heißt dann, wir würden deswegen bei unquantisiertem Licht auch Sternenlicht sehen?
Dann zur Quantisierung direkt. Nach Einstein sind es Teilchen, zumindest etwas Lokalisiertes.
Nach der QFT sind Photonen scharfer Frequenz unendlich ausgedehnte Wellenzüge, die dann bei Absorption aus dem Photonenfeld entnommen werden, das würde aber die Lokalität sofort verletzen. Auch bei unscharfer Frequenz wäre es eine Glockenkurve, die bei instantaner Absorption die Lokalität verletzen würde.
Was ist es denn nun, dieses Photon?
TomS
Verfasst am: 20. Okt 2025 09:47
Titel: Re: Strahlung und Quantisierung
DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ich habe eine grundsätzliche Frage: Wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre, würden wir dann überhaupt etwas sehen?
Wenn es uns unter diesen Bedingungen gäbe, dabnn spricht nichts dagegen. Denn wenn Licht prinzipiell nicht in der dafür nötigen Weise von Materie absorbiert werden könnte, dann gäbe es auch keine Photosynthese und ohne die würde es uns nicht geben.
Aber für die Photosynthese ist die Quantennatur von Licht auch nicht relevant, oder?
DrStupid
Verfasst am: 20. Okt 2025 09:45
Titel: Re: Strahlung und Quantisierung
Sonnenwind hat Folgendes geschrieben:
Ich habe eine grundsätzliche Frage: Wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre, würden wir dann überhaupt etwas sehen?
Wenn es uns unter diesen Bedingungen gäbe, dabnn spricht nichts dagegen. Denn wenn Licht prinzipiell nicht in der dafür nötigen Weise von Materie absorbiert werden könnte, dann gäbe es auch keine Photosynthese und ohne die würde es uns nicht geben.
TomS
Verfasst am: 20. Okt 2025 09:32
Titel:
Das war letztlich bereits die Frage von Planck, ob nämlich nur die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie quantisiert ist, oder die Strahlung selbst. Planck meinte ersteres, Einstein zeigte durch die Überlegungen zum photoelektrischen Effekt letzteres.
Tatsächlich hängen viele Berechnungen von Absorption und Emission durch Atome und Moleküle im Rahmen der Quantenmechanik nicht von der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes ab; dieses wird klassisch betrachtet. D.h. derartige Prozesse sind nicht sensitiv für die Quantisierung (man erhält erst in der Quantenfeldtheorie sehr kleine Korrekturen, siehe z.B. die Lamb-Shift, die jedoch im Rahmen biochemischer Prozesse irrelevant sind).
Die Quantisierung des elektromagnetischen Felde insbs. dann relevant, wenn der beteiligte Festkörper kein diskretes Spektrum liefert – siehe zum Beispiel den photoelektrischen Effekt – oder wenn die Intensität des elektromagnetischen Feldes extrem niedrig ist, so dass die Quantennatur zum Tragen kommt. Bei Molekülen ist ersteres nicht der Fall, bei Sonnenlicht letzteres nicht.
Sonnenwind
Verfasst am: 20. Okt 2025 07:33
Titel: Strahlung und Quantisierung
Ich habe eine grundsätzliche Frage: Wenn die EM-Strahlung nicht quantisiert wäre, würden wir dann überhaupt etwas sehen?
Oder würde man "sichtbares" Licht dann nur über Wärmerezeptoren wahrnehmen können?