Ein Foto-Blitzgerät hat während einer Blitzdauer von \(\frac{1}{{30}}\) Sekunde eine Durchschnittsleistung von \(300{\rm{W}}\). Die mittlere Energie der Photonen entspricht der von blau-grünem Licht der Wellenlänge \(500{\rm{nm}}\).
a)Bestimmen Sie die Anzahl der Photonen, die bei einem Blitz frei werden.
b)Mit einem Lichtblitz soll eine chemische Reaktion, die eine hohe Aktivierungsenergie benötigt, ausgelöst werden. Der Versuch wird in drei Varianten ausgeführt:
A: Blitzgerät ohne Filter
B: Blitzgerät mit Rotfilter
C: Blitzgerät mit Blaufilter
Nur in zwei der drei Fälle ist eine Reaktion zu beobachten.
Erläutern Sie dies.
c)Die nicht funktionierende Versuchsvariante wird nun abgewandelt, indem ein zweites, gleichartiges Blitzgerät gleichzeitig ausgelöst wird.
Erläutern Sie, Inwiefern sich dieser Versuch dazu eignet, die Grenzen der klassischen Wellentheorie aufzuzeigen.
b)Der Blitz strahlt Photonen verschiedener Energie ab. Er emittiert weißes Licht, dieses ist bekanntlich eine Mischung aus verschiedenen Lichtfarben und damit von Photonen ganz unterschiedlicher Energien.
Wird kein Filter benutzt, so gelangen alle diese Photonen zum Experiment - energiearme (kleine Frequenz) und energiereiche (große Frequenz).
Wird ein Rotfilter benutzt, so gelangen nur noch (energiearme) Photonen des roten Lichts zum Experiment, bei Verwendung eines Blaufilters nur (energiereiche) Photonen des blauen Lichts.
Nur die Versuche A (ohne Filter) und C (Blaufilter) funktionieren, weil hier Photonen ankommen, die energiereich genug sind um den Prozess auszulösen. Wird ein Rotfilter verwendet (Versuch B), sind die Photonen nicht energiereich genug - der Versuch misslingt.
c)Die klassischen Wellentheorie geht davon aus, dass zwei Lampen doppelte Lichtintensität, also auch doppelte Energiemenge liefern, was dazu führen müsste, dass Versuch B nun vielleicht doch noch gelingt.
Es klappt aber dennoch nicht.
Die Energie liegt nämlich nicht kontinuierlich, sondern gequantelt vor - in "Portionen" von \({E_{{\rm{Ph}}}} = h \cdot f\). Bei doppelter Lichtintensität werden zwar doppelt so viele Photonen ausgesandt, dies ändert aber nichts an der Energie des einzelnen Photons. Diese hängt nur von der Frequenz (Wellenlänge) des Lichts ab. Es kommen nun zwar mehr Photonen an, aber die Energie der einzelnen Photonen genügt dennoch nicht um den Prozess auszulösen. Daher ist auch dieser Versuch zum Scheitern verurteilt.
