ATOMBAU |
III. Orbitale |
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de Broglie |
De Broglie postulierte 1923, dass ein Teilchen wie das Elektron auch Welleneigenschaften
hat. Einstein hatte 1905 zur Erklärung des "photoelektrischen Effekts"
angenommen, das Licht als Welle auch sich wie ein Teilchen ("Photon")
verhalten kann. 1927 bestätigten Davison und Germer experimentell die Idee
von de Broglie. Wenn man dieses Konzept von de Broglie auf Elektronen in Atomen anwendet,
erhält man eine schöne - und auch anschauliche (!) - Erklärung,
warum nur bestimmte Bahnen möglich sind.
Bohr sagt: Elektronen bewegen
sich auf bestimmten Bahnen um den Kern (weil es in der Theorie so ist).
de Broglie sagt: Elektronen besitzen auch die
Eigenschaft einer Welle.
Ein Elektron muss eine "stabile" Welle sein. (Nur eine "stabile" Welle bildet ein "stabiles" Teilchen.) In der Physik heisst das präziser "stehende Welle". Das klingt komplizierter als es ist, lässt sich aber auch wieder schnell anschaulich (!) zeichnen.
Wir betrachten zuerst eine Welle in einer Richtung. Die Länge, bis die gleiche Situation wieder vorkommt, heißt Wellenlänge λ. Damit das ganze bei einer Fortsetzung "stabil" ist, muss sich "die Katze wieder in den Schwanz beißen können." Das Ende muss genau zum Anfang passen; wenn wir die Welle fortsetzen, müsste der Anfang ohne einen Sprung oder Knick hinten angefügt werden können.
Welle auf einer Strecke der Länge L |
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Eine "stabile" Welle |
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Eine "instabile" Welle |
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Wir sehen so, dass in einem Stück der Länge L auf der x-Achse nur solche Wellen stabil sind, bei denen L genau eine Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches davon lang ist.
L ist genau 1 λ lang. |
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L ist genau 2 λ lang. |
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L ist genau 3 λ lang. |
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Bei allen anderen Längen "beißt sich die Katze nicht mehr richtig in den Schwanz". (Physikalisch: durch "Interferenz" löscht sich die Wellen aus)
Wenn wir unser gerades Stück der Länge L zu einem Kreis biegen und darauf eine Welle für das Elektron zeichnen, sind nur bestimmte Längen (= Kreisumfang) möglich. Es sind also nur Bahnen möglich, die 1, 2, ... Wellenlängen lang sind. |
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Damit haben wir genau die Forderung von
Bohr für die Hauptquantenzahl n, die die Werte n = 1, 2, ... annehmen kann.
{Die
Wellenlänge für das Elektron hat de Broglie auch berechnet; sie ist
mit dem Impuls des Elektrons verknüpft; dies passt zur Bohrschen Theorie.}
Die Existenz von Bohrschen Bahnen ist eine direkte Folge der Tatsache, |
Bemerkung: de Broglie konnte die Existenz Bohrscher Bahnen bestätigen. Den weiteren Schritt hat Schrödinger durchgeführt: Was folgt für das Verhalten eines Elektrons, wenn die Welleneigenschaft des Elektrons konsequent in einer vollständigen Theorie behandelt wird?
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