4 Fragen zu Schroedinger

Die Schrödinger-Gleichung ist eine fundamentale Gleichung der Quantenmechanik, die die zeitliche Entwicklung des Zustands eines quantenmechanischen Systems beschreibt. Sie wurde 1926 von Erwin Schrödinger formuliert und ist in zwei Formen bekannt: die zeitabhängige und die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung. 1. **Zeitabhängige Schrödinger-Gleichung**: Diese beschreibt, wie sich der Zustand eines Systems mit der Zeit ändert. Sie lautet: \[ i\hbar \frac{\partial \Psi(\mathbf{r}, t)}{\partial t} = \hat{H} \Psi(\mathbf{r}, t) \] Hierbei ist: - \(i\) die imaginäre Einheit, - \(\hbar\) das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum, - \(\Psi(\mathbf{r}, t)\) die Wellenfunktion des Systems, - \(\hat{H}\) der Hamiltonoperator, der die Gesamtenergie des Systems beschreibt. 2. **Zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung**: Diese wird verwendet, wenn das System zeitlich stationär ist, also wenn die Energie des Systems konstant ist. Sie lautet: \[ \hat{H} \psi(\mathbf{r}) = E \psi(\mathbf{r}) \] Hierbei ist: - \(\psi(\mathbf{r})\) die zeitunabhängige Wellenfunktion, - \(E\) die Energie des Systems. Die Wellenfunktion \(\Psi\) enthält alle Informationen über das System und ihre Betragsquadrat \(|\Psi|^2\) gibt die Wahrscheinlichkeitsdichte an, das Teilchen an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit zu finden.

Die Lösung der Schrödinger-Gleichung liefert die Wellenfunktion eines quantenmechanischen Systems. Diese Wellenfunktion, oft mit dem griechischen Buchstaben Ψ (Psi) bezeichnet, enthält alle Informationen über den Zustand des Systems. Insbesondere kann man aus der Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeitsdichte ableiten, die angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich ein Teilchen an einem bestimmten Ort befindet. Darüber hinaus können aus der Wellenfunktion auch andere physikalische Größen wie Energie, Impuls und Drehimpuls berechnet werden.

Die Schrödinger-Gleichung ist eine fundamentale Gleichung der Quantenmechanik, die das Verhalten von quantenmechanischen Systemen beschreibt. Es gibt zwei Hauptformen der Schrödinger-Gleichung: die zeitabhängige und die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung. Hier ist eine Herleitung der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung: 1. **Grundlagen der Quantenmechanik**: In der Quantenmechanik wird der Zustand eines Systems durch eine Wellenfunktion \(\psi(x, t)\) beschrieben, die Informationen über die Wahrscheinlichkeit des Auffindens eines Teilchens an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit enthält. 2. **Postulate der Quantenmechanik**: Eines der zentralen Postulate besagt, dass die Dynamik eines quantenmechanischen Systems durch eine Differentialgleichung beschrieben werden kann. Diese Gleichung ist die Schrödinger-Gleichung. 3. **Energieoperator**: In der Quantenmechanik wird der Energieoperator (Hamilton-Operator) \( \hat{H} \) verwendet, der in der Regel die kinetische und potenzielle Energie eines Systems umfasst. Für ein Teilchen in einem Potential \( V(x) \) lautet der Hamilton-Operator: \[ \hat{H} = -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{d^2}{dx^2} + V(x) \] wobei \( \hbar \) das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum und \( m \) die Masse des Teilchens ist. 4. **Zeitentwicklung**: Die Zeitentwicklung eines quantenmechanischen Systems wird durch den Zeitentwicklungsoperator \( \hat{U}(t) \) beschrieben, der die Wellenfunktion zu einem späteren Zeitpunkt \( t \) bestimmt: \[ \psi(x, t) = \hat{U}(t) \psi(x, 0) \] 5. **Schrödinger-Gleichung**: Die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung wird dann formuliert als: \[ i\hbar \frac{\partial \psi(x, t)}{\partial t} = \hat{H} \psi(x, t) \] Hierbei ist \( i \) die imaginäre Einheit. 6. **Interpretation**: Diese Gleichung beschreibt, wie sich die Wellenfunktion eines quantenmechanischen Systems mit der Zeit verändert. Der linke Teil der Gleichung beschreibt die zeitliche Änderung der Wellenfunktion, während der rechte Teil die Energie des Systems in Bezug auf die Wellenfunktion darstellt. Die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung kann aus der zeitabhängigen Gleichung abgeleitet werden, indem man die Wellenfunktion als Produkt einer räumlichen und einer zeitlichen Funktion schreibt, was zu einer separierbaren Form führt.

Erwin Schrödinger war ein berühmter Wissenschaftler, der sich mit sehr kleinen Dingen beschäftigt hat, die man mit bloßem Auge nicht sehen kann – zum Beispiel mit Atomen. Er hat sich gefragt, wie sich diese winzigen Teilchen verhalten. Um das zu erklären, hat er sich eine berühmte Geschichte ausgedacht: die von der „Schrödingers Katze“. Stell dir vor, es gibt eine Kiste, in der eine Katze sitzt. In der Kiste ist auch etwas, das – je nachdem, was ein winziges Teilchen macht – die Katze entweder am Leben lässt oder nicht. Das Verrückte ist: Solange niemand in die Kiste schaut, weiß niemand, ob die Katze lebt oder nicht. In der Welt der ganz kleinen Teilchen kann sie beides gleichzeitig sein – lebendig und nicht lebendig! Erst wenn man nachschaut, entscheidet sich, was wirklich passiert ist. Schrödinger wollte damit zeigen, dass die Welt der kleinsten Teilchen ganz anders funktioniert als das, was wir im Alltag kennen. Seine Entdeckung hilft uns heute, viele Dinge in der Technik und Natur besser zu verstehen.