Atome und Moleküle sind die Bausteine der Materie. Um die Strukturen der Materie zu verstehen, müssen wir zunächst das Verhalten ihrer Bausteine untersuchen.
Die Quantentheorie beschäftigt sich mit dem Aufbau und den Eigenschaften von Mikroobjekten, den kleinsten Teilen der Materie. Ihr typisches Untersuchungsobjekt - Atom - besteht aus noch kleineren Mikroobjekten, wie Elektronen, Protonen und Neutronen.
Folgende Probleme werden in der Quantentheorie untersucht:
Wie reagieren subatomare Teilchen auf äußere Kräfte? Welche Energien werden dabei frei und in welcher Form? Wie sieht die Struktur der Atomhülle aus? Welche Atome verbinden sich zu Molekülen? Inwieweit können wir das Verhalten von Mikroobjekten beschreiben? Welche Gesetze gelten für die mikroskopische Welt? Was für Auswirkungen haben sie auf die makroskopische Welt, d. h. auf Objekte, die unserer alltäglichen Erfahrung direkt zugänglich sind?
Früher erschien es selbstverständlich, dass die Bewegungen aller Teilchen sich durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschreiben lassen. Diese Gesetze wurden im siebzehnten Jahrhundert von Isaak Newton aufgestellt und erklärten die Bewegung von alltäglichen Objekten und Planeten sehr erfolgreich. Zwei wesentliche Aussagen der klassischen Mechanik sind:
"Natura non facit saltus" - Die Natur macht keine Sprünge. Diese Worte von Gottfried Wilhelm Leibniz kennzeichnen die Auffassung der klassischen Physik, dass alle Vorgänge stetig verlaufen. Bereits aber 1877 hat Ludwig Boltzmann die statistische Verteilung der Energie von Gasmolekülen berechnet. Aufgrund seiner Betrachtung von einzelnen Gasteilchen ist ihm damit die Begründung der bereits vorher aus der Thermodynamik bekannten Gasgesetze (z. B. pV = nRT) gelungen. Boltzmann verwendete dabei als mathematischen Kunstgriff Energiequanten E, deren Energie er im Laufe der Rechnungen gegen Null gehen ließ, und gelangte so zum Energie-Kontinuum. Seine Quanten (zu lat. quantum: "wie groß, wie viel") waren also eine reine Rechengröße ohne physikalische Bedeutung.
Beim Versuch, die elektromagnetische Strahlung zu erklären,
die von einem schwarzen
Körper ausgeht (also z. B. ein glühendes
Eisen, das auch sichtbares Licht aussendet), benutzte Max Planck ebenfalls
den Begriff der Quanten.
Im Gegensatz zur Theorie von Boltzmann konnte Planck den Grenzübergang
- Energie der Quanten geht gegen Null - nicht ausführen.
Nach seinen eigenen Aussagen hielt er Quanten nicht für real. Aber er
brauchte sie, um seine Strahlungsformel
in Übereinstimmung mit dem Experiment zu bringen.
Somit liegen die Ursprünge der Quantentheorie in der Thermodynamik. Planck hielt am 14. Dezember 1900 auf einer Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ein Referat mit dem Titel: "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum". Dieser Vortrag war die Geburtsstunde der Quantentheorie.
Den nächsten großen Schritt in der Entwicklung der Quantentheorie machte Albert Einstein 1905: Bei der Untersuchung des Photoeffekts kam er zu dem Schluss, dass Quanten (Lichtteilchen/Photonen) real sind und nicht nur eine Rechengröße.