Quanten Theorie - zeitliche Entwicklung

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Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts glaubten die Wisenschaftler, dass sie die hauptsächlichesten Prinzipien der Natur verstanden hätten. Atome waren feste Bausteine der Natur; man vetraute auf die Gültigkeit der Newton'schen Bewegungsgesetze und die meisten Probleme der Physik waren scheinbar gelöst. Jedoch mit der Entdeckung der Relativitätstheorie durch Einstein, welche die Newton'sche Mechanik erweiterte, erkannten die Physiker nach und nach, dass ihr Wissen noch weit davon entfernt war, vollständig zu sein. Eine besondere Rolle spielte dabei das schnell sich entwickelnde Gebiet der Quantenmechanik, welche die fundamentalen Prinzipien der Physik vollständig veränderte.

Entdeckte Teilchen 1898 - 1964:

... und noch viele mehr!

1900

Max Planck schlägt vor, dass Strahlung nur in diskreten Energiepaketen auftreten kann, also quantisiert ist.

1905

Albert Einstein, einer der wenigen Wissenschaftler, die Planck's Ideen ernst nehmen, führt Lichtquanten (Photonen) ein, welche sich (mehr oder weniger) wie Teilchen verhalten. Weitere Theorien von Einstein zeigten die Aequivalenz von Masse und Energie (Spezielle Relativitätstheorie), die Welle - Teilchen Dualität der Photonen und die Bedeutung des Aequivalenzprinzips als Grundlage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie.

1909

Hans Geiger und Ernest Marsden, führen - unter der Leitung von Ernest Rutherford - Streuexperimente von alpha-Teilchen an Goldfolien durch und beobachten dabei alpha - Teilchen, die unter unerwartet grossen Winkeln gestreut werden. Sie deuten dies als Hinweis auf die Existenz eines kleinen, dichten und positiv geladenen Zentrums im Atom.

1911

Ernest Rutherford bestätigt diese aus den Streuexperimenten von Hans Geiger und Ernest Marsden. gezogenen Schlussfolgerungen und führt den Atomkern als Bestandteil des Atoms ein.

1912

Albert Einstein entdeckt die gekrümmte Raum-Zeit.

1913

Niels Bohr kontruiert erfolgreich eine Theorie der Atomstruktur, die auf Ideen der Quantenphysik beruht.

1919

Ernest Rutherford findet erste Hinweise auf die Existenz des Protons.

1921

James Chadwick und E.S. Bieler schliessen auf die Notwendigkeit einer Starken Kraft, welche den Atomkern zusammenhält.

1923

Arthur Compton entdeckt die Quanten (Teilchen) Eigenschaften der Röntgenstrahlen und bestätigt so die Teilchennatur der Photonen.

1924

Louis de Broglie schlägt vor, dass materielle Teilchen auch Welleneigenschaften haben sollen.

1925 (Jan)

Wolfgang Pauli formuliert das Ausschlussprinzip für Elektronen im Atom.

1925 (April)

Walther Bothe und Hans Geiger entdecken, dass bei atomaren Prozessen Energie und Masse erhalten bleiben.

1926

Erwin Schroedinger entwickelt die Wellenmechanik, welche das Verhalten von bosonischen Quantensystemen beschreibt. Max Born findet die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Quantenmechanik. G.N. Lewis schlägt den Namen "Photon" für das Lichtquant vor.

1927

Bei einigen Stoffen wird entdeckt, dass diese Elektronen emittieren (beta - Zerfall). Dabei versteht man vorerst nicht, weshalb die emittierten Elektronen ein kontinuierliches Energiespektrum aufweisen. Die Antwort auf dieses Problem wurde erst im Jahr ---> 1930 gefunden (siehe dort).

1927

Werner Heisenberg formuliert das nach ihm benannte Unschärfeprinzip: Je genauer die Energie eines Teilchens bekannt ist, desto weniger kennt man die Lebensdauer dieses Zustands (und umgekehrt). Dasselbe gilt auch bezüglich Impuls und Ortskoordinaten eines Teilchens.

1928

Paul Dirac führt Quantenmechanik und Spezielle Relativitätstheorie zusammen und beschreibt auf diese Weise das Elektron.

1930

Quantentheorie und Spezielle Relativitätstheorie sind wohletablierte Theorien. Die Physik kennt nur drei fundamentale Teilchen: Protonen, Elektronen und Photonen. Max Born, behauptet - nachdem er die Dirac Gleichung kennengelernt hat - "Die Physik wie wir sie bis jetzt kannten, wird in drei Monaten vorüber sein".

1930

Wolfgang Pauli schlägt ein neues Teilchen vor, das er Neutrino nennt. Dies soll das kontinuierliche Energiespektrum der beim beta - Zerfall emittierten Elektronen erklären.

1931

Paul Dirac bemerkt, dass die positiv geladenen Teilchen, die in seiner Gleichung auftreten eine neue Art von Teilchen darstellen. Er nennt sie "Positronen". Sie verhalten sich genau gleich wie die Elektronen, sind aber elektrisch positiv geladen. Sie sind das erste Beispiel von Antiteilchen.

1931

James Chadwick entdeckt das Neutron. Der Mechanismus des Zusammenhalts der Kerne und der Kernzerfälle werden zum wichtigen Problem.

1933-34

Enrico Fermi entwickelt eine Theorie des beta - Zerfalls, welche die schwache Wechselwirkung einführt. Es ist die erste Theorie, die das Neutrino und Änderung der Teilchensorten ( quark flavor) berücksichtigt.

1933-34

Hideki Yukawa vereinigt Quantentheorie und Relativitätstheorie um die Wechselwirkung zwischen Kernbausteinen (Nukleonen) durch Austausch von Teilchen (Mesonen, die er Pionen nennt) zu erklären. Aus der Grösse des Kerns schliesst Yukawa auf eine Masse der Mesonen von etwa 200 Elektronenmassen. Damit beginnt die Meson Theorie der nuklearen Bindungskräfte.

1937

Ein neues Teilchen mit dem 200 fachen Masse des Elektrons wird in der kosmischen Strahlung entdeckt. Während man zuerst der Meinung war, es handle sich um das von Yukawa vorhergesagte Pion, entpuppte sich das Teilchen später als Myon.

1938

E.C.G. Stückelberg stellt fest, dass Protonen und Neutronen nicht in irgendwelche Kombinationen von Elektronen, Neutrinos, Myonen oder deren Antiteilchen zerfallen. Die Stabilität des Protons kann nicht mit Energie- oder Ladungserhaltung erklärt werden. Er schlägt eine unabhängige Erhaltungsgrösse für schwere Teilchen vor.

1941

C. Moller und Abraham Pais bezeichnen Protonen und Neutronen mit dem Sammelbegriff "Nukleon".

1946-47

Die Physiker finden heraus, dass es sich bei dem Teilchen aus Kosmischer Strahlung, welches man ursprünglich für das von Yukawa vorgeschlagene Meson gehalten hatte, in Wirklichkeit um ein "Myon" handelt. Das Myon ist damit das erste Teilchen der zweiten Generation materieller Teilchen, welches gefunden wurde. Die Entdeckung war so überraschend, dass sie von I.I. Rabi mit den Worten "Wer hat denn DAS bestellt?" kommentiert wurde. Bald darauf wurde fülr Teilchen, die nicht der Starken Wechselwirkung unterliegen, der Ausdruck "Lepton" eingeführt. (Elektronen und Myonen sind beide Leptonen).

1947

In der Kosmischen Strahlung wird ein Teilchen mit Starker Wechselwirkung gefunden und Pion genannt.

1947

Die Physik entwickelt Verfahren mit deren Hilfe die elektromagnetischen Eigenschaften von Elektronen, Positronen und Photonen berechnet werden können. Einführung der Feynman Diagramme.

1948

Das Berkeley Synchro-Zyklotron produziert die ersten künstlichen Pionen.

1949

Enrico Fermi und C.N. Yang schlagen vor, dass sich das Pion aus einem Nukleon und einem Anti-Nukleon zusammensetzen soll. Die Idee zusammengestzter Teilchen ist eine radikale Neuerung in der Denkweise.

1949

Entdeckung des K+ über seinen Zerfall.

1950

Das neutrale Pion wird entdeckt.

1951

In der Kosmischen Strahlung werden zwei neue Teilchenarten entdeckt. Kennzeichnend ist die auffällige V - Struktur ihrer Zerfallsspuren. Die V - Teilchen entspringen dem Zerfall eines elektrisch neutralen Objekts. Sie werden Lambda0 und K0 genannt.

1952

Entdeckung des Delta Teilchens mit vier ähnlichen Zuständen: delta++, delta+, delta0, und delta-.

1952

Donald Glaser erfindet die Blasenkammer. Das "Brookhaven Cosmotron", ein 1.3 GeV Beschleuniger nimmt den Betrieb auf..

1953

Beginn der "Teilchen-Explosion" -- der lawinenartigen Zunahme der Anzahl neuer Teilchen.

1953 - 57

Streuung von Elektronen an Atomkernen zeigt eine Ladungsverteilung im Innern des Protons und sogar im Innern des Neutrons. Eine theoretische Analyse dieser elektromagnetischen Struktur des Protons und des Neutrons deutet auf eine innere Struktur der Nukleonen hin, obwohl diese Teilchen immer noch als elementar betrachtet werden.

1954

C.N. Yang und Robert Mills entwickeln eine neue Klasse von Theorien; die sogenannten "Eich-Theorien". Obschon das dazumal noch nicht klar war, bilden diese Theorien heute die Basis des Standard Modells.

1957

Julian Schwinger veröffentlicht eine Arbeit, in der er die Vereinigung der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung vorschlägt.

1957-59

Julian Schwinger, Sidney Bludman und Sheldon Glashow, schlagen - in unabhängigen Veröffentlichungen - vor, dass alle Arten schwacher Wechselwirkung durch den Austausch schwerer Bosonen verursacht werden. Man nannte diese später W+ und W-. In Tat und Wahrheit war es Yukawa, der zwanzig Jahre früher Bosonen als Austauschpartner in Betracht zog. Er schlug jedoch das Pion als Austauschpartner der schwachen Kraft vor.

1961

Ein mathematischen Klassifikationsschema - die SU(3) Gruppe - hilft den Physikern Ordnung in die rasch sich vermehrende Anzahl neuer Teilchen zu bringen.

1962

Experimente bestätigen, dass es zwei unterschiedliche Arten von Neutrinos geben muss: Elektron- und Myon-Neutrino. Dies wurde auf Grund früher durchgeführter theoretischer Arbeiten erwartet.

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