Quantenobjekt Photon

Quantenphysik

Quantenobjekt Photon

  • Wie überträgt Licht seine Energie?
  • Was sind eigentlich Photonen?
  • Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
  • Können Teilchen aus Strahlung entstehen?

Wilhelm HALLWACHS (1859 -1922)

von Robert Sterl [Public domain], via Wikimedia Commons

Wilhelm HALLWACHS wurde am 9. Juli 1859 in Darmstadt geboren und verstarb am 10. Juli 1922 in Dresden.

Nach Lehrjahren bei Kundt und Kohlrausch wurde er 1893 Ordinarius für Elektrotechnik an der Technischen Hochschule Dresden. Hallwachs war ein Meister der Experimentalphysik, der viele Geräte selbst konstruierte und baute.

1887 fand Heinrich Hertz bei seinen Versuchen über elektromagnetische Schwingungen, dass die Funken an einer Funkenstrecke länger ausfielen, wenn in der Nähe gleichzeitig ein anderer Funken übersprang. Er konnte dafür das ultraviolette Licht des zweiten Funkens verantwortlich machen. Hallwachs widmete sich als erster der experimentellen Untersuchung dieses photoelektrischen Effekts oder Hallwachs-Effekts, wie er später auch bezeichnet wurde.

Er wies nach, dass durch ultraviolettes Licht negativ geladene Metallplatten entladen und ungeladene positiv aufgeladen werden und dass die Wirkung an die Absorption ultravioletten Lichtes geknüpft ist.

In einer Arbeit aus dem Jahre 1889 schreibt er:

Angeregt durch die Versuche von Hrn. Hertz über die Wirkung des Lichtes auf den Inductionsfunken hatte ich vor einiger Zeit gezeigt, dass bei der Belichtung negativ electrischer, blanker Metallplatten mit geeignetem, ultravioletten Licht sich die negative Electricität den electrostatischen Kräften des Feldes folgend, zerstreut. . . .

Erst 1904 wandte sich Hallwachs erneut dem photoelektrischen Effekt zu. Jetzt untersuchte er, wie dieser Effekt vom bestrahlten Material abhängt. Er schreibt u.a.:
Die negative Electricität ging, wie sich gezeigt hatte, von den Metallplatten bei der Belichtung nicht mehr weg, wenn die zuerst frisch geputzte Oberfläche einige Zeit an der Luft gelegen hatte. . . .

Durch seine experimentellen Erfolge wurde Hallwachs zum führenden Forscher auf dem Gebiet der Photoelektrizität. Die Entwicklung führte im Bereich der Technik später zur Photozelle, die eine wichtige Rolle beim Tonfilm und der Bildtelegraphie spielte.
Im physikalischen Bereich erlangte der Photoeffekt große Bedeutung bei der Entwicklung einer neuen Modellvorstellung vom Licht. Die Deutung des Effekts mit Hilfe der Lichtquantenhypothese durch Einstein im Jahre 1905 führte in das völlig neue, durch Max Planck begründete, Gebiet der Quantenphysik.

Hinweise:


 

"Eine blank geputzte kreisförmige Zn-Platte von etwa 8 cm Durchmesser hing an einem isolirenden Stativ und war durch einen Draht mit einem Goldblattelectroskop in Verbindung gesetzt. Vor der Zinkplatte stand parallel mit ihr ein großer Schirm aus Zinkblech von etwa 70 cm Breite und 60 cm Höhe. In der Mitte desselben befand sich ein Marienglasfenster (Gipsspatfenster) durch welches die Strahlen einer jenseits aufgestellten Siemens'schen Bogenlampe auf die Platte fallen konnte (vgl. Skizze, welche der Beschreibung nachempfunden ist).
Das System aus Platte und Goldblättern isolirte gut: während eines Tages nahm die Ablenkung (der Plättchen) um etwa ¼ ab, während der Dauer des Versuches um keinen merkbaren Betrag. Auch wenn die Bogenlampe in Gang, das Marienglasfenster aber durch geeignete Substanzen bedeckt war, blieb die Isolation erhalten.
Ladet man die Platte samt Electroskop, welch letzteres von den Strahlen nicht getroffen werden kann, negativ electrisch, so beginnen, sobald die Lichtstrahlen auf die Platte auftreffen, die Goldblättchen lebhaft zusammenzufallen; bei positiver Ladung tritt ein Zusammenfallen auf den ersten Blick gar nicht, bei genauerer Untersuchung erst nach längerer Zeit in merklichem Betrag ein."

Über die absorbierende Wirkung verschiedener Medien schreibt Hallwachs:
"Um die Schwächung der Wirkung beim Durchgang der Lichtstrahlen durch zwischengeschaltete Platten zu untersuchen, wurde an Stelle des Marienglasfensters eine Blende aus Metallblech gesetzt, welche eine quadratische Oeffnung von 4 cm Seite besass. Die benutzten Platten bedeckten diese Oeffnung vollständig. Der Abstand zwischen dem Bogen (Lichtquelle) und der electrisirten Zinkplatte betrug 100 cm."
Als gut durchlässige Substanzen erwiesen sich Gipsspat, Bergkristall, Steinsalz und Kalkspat. Zu den stark absorbierenden Substanzen zählten Glas, Metall, Pappe, Papier und Glimmer. Auch bei einigen Flüssigkeiten wurde die Absorption des Bogenlampenlichts nachgewiesen.

Max PLANCK (1858 - 1947)

Im Folgenden sind nur einige wichtige Daten aus dem Leben dieses berühmten Physikers zusammengestellt. Ausführliche Biographien und die Darstellung seiner Leistungen entnehmen Sie bitte den beiden Seiten, auf welche die unten aufgeführten Links zielen.

1858
Am 23. April wird Max Planck in Kiel als Sohn des Juraprofessors Wilhelm Planck geboren.

von GFHund (Eigenes Werk) [GFDL oder CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

1867-1874
Besuch des Max-Gymnasiums in München.
1874 erkundigt sich der Abiturient beim Physik-Professor von Jolly nach den Studienaussichten im Fach Physik. Der Professor riet ab, da in der Physik fast schon alles erforscht sei. Es gelte nur noch einige Lücken zu schließen und einige Naturkonstanten etwas genauer zu bestimmen. Planck lässt sich nicht abbringen und wird zum Mitbegründer eines Teilgebietes der Physik, die das Weltbild massiv verändert.
1874 - 1880
Studium des Lehramts für Mathematik und Physik in München und Berlin.
1880
Planck wird Privatdozent in München
1889
Bereits mit 30 Jahren wird Max Planck ordentlicher Professor in Berlin
1900
Entwicklung der Strahlungsformel
1918
Nobelpreis für Physik
1930
Planck wird Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft (der heutigen Max-Planck-Gesellschaft)
1947
Am 4. Oktober stirbt Planck

Eine sehr schöne und kompakte Darstellung des Lebens und Wirkens von Max Planck findet man auf der Homepage des Max-Planck-Gymnasiums München (zusammengestellt von Robert Wagner) unter der Adresse https://www.mpg-muenchen.de/hp/index.php/max-planck.

Eine sehr ausführliche und informative Darstellung der Leistungen aber auch der persönlichen Verhältnisse von Max Planck findet man auf der Seite der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. unter der Adresse http://www.max-planck.mpg.de/frameset.html.

Arthur Holly COMPTON (1892-1962)

von GFHund (Eigenes Werk) [GFDL oder CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

Compton wurde am 10.September 1892 in Wooster, Ohio geboren. Er starb am 15.März 1962 in Berkeley, Kalifornien. Compton war 1923 bis 1945 Professor an der Universität Chicago und von 1945 bis 1954 Kanzler der Washington University in St. Louis. Sein Hauptarbeitsgebiet war die Röntgenspektroskopie. 1922 entdeckte er den Compton-Effekt, der von ihm kurz darauf theoretisch gedeutet wurde. Er erhielt dafür 1927 den Nobelpreis.

Nach Abschluss der Schule besuchte er das College von Wooster, wo sein Vater, Elias Compton, als Dekan und Professor tätig war. Nach erfolgreicher Graduierung (1913) wechselte Compton an die Princeton University, um dort Physik zu studieren. Hier erwarb er 1914 seinen Master Degree, zwei Jahre später folgte der Doktortitel. Nach einer Tätigkeit in der freien Wirtschaft arbeitete er für ein Jahr (1919) an der Cambridge University (Massachusetts). 1920 erhielt Compton den Ruf der Washington University (Saint Louis, Missouri). Er wechselte 1923 an die Universität von Chicago. Von 1942 bis 1945 war Compton im Rahmen des Manhattan Projektes Leiter der Plutoniumforschungsabteilung (zur Erstellung von Atomwaffen). Nach dem 2. Weltkrieg kehrte er nach Saint Louis (Missouri) zurück. Compton untersuchte um 1922 die Streuung von monochromatischen Röntgenstrahlen an Kristallen und machte folgende Beobachtung: Die gestreute Strahlung wies eine geringere Energie und eine größere Wellenlänge auf, als die Strahlung vor der Streuung. Dieses Versuchsergebnis deutete er, dass die Wellenlänge hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung sich ändert, wenn sie an Elektronen gestreut wird. Demzufolge, so folgerte Compton weiter, muss die Strahlung Teilchencharakter besitzen. Er fand schließlich folgende Erklärung: Röntgenstrahlen setzen sich, wie andere elektromagnetische Strahlen, aus Lichtquanten oder Photonen zusammen. Trifft ein Photon, mit einer bestimmten Energie und einem bestimmten Impuls, auf ein Elektron, dann überträgt es beim Zusammenprall einen geringen Anteil seiner Energie und seines Impulses auf das Elektron. Das Photon wird unter einem bestimmten Winkel gegen die Einfallsrichtung abgelenkt, während das Elektron unter einem anderen Winkel ausweicht (Rückstoßlelektron). Er hatte hiermit den später nach ihm benannten Compton-Effekt entdeckt. Nur wenig später gelang es seinem schottischen Kollegen Charles T.R. Wilson die "ausweichenden" Elektronen mit einer Nebelkammer nachzuweisen. Für diese Arbeiten teilten sich Compton und Wilson 1927 den Nobelpreis für Physik. Neben den Arbeiten mit Röntgenstrahlung und Gammastrahlung beschäftigte sich Compton auch mit Kettenreaktionen und kosmischen Strahlen.

Weitere Information (englisch) beim Nobel-e-Museum.

Einstein zum Photoeffekt

Aus der Originalarbeit von Einstein

Annalen der Physik 17, S. 132- 148 (1905)

Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt; von A. Einstein
 

von Ferdinand Schmutzer [Public domain], via Wikimedia Commons

Einstein übertrug die von Max Planck bei der Emission von Licht entdeckte Quantelung der Strahlungsenergie auf die Ausbreitung des Lichts im Raum und seine Wechselwirkung mit Materie. Diese Hypothese ging entscheidend über die plancksche Annahme hinaus. Auszüge aus seiner Originalarbeit:

»Die übliche Auffassung, daß die Energie des Lichtes kontinuierlich über den durchstrahlten Raum verteilt sei, findet bei dem Versuch, die lichtelektrischen Erscheinungen zu erklären, besonders große Schwierigkeiten... Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen. ..besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdende Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können... Monochromatische Strahlung ...verhält sich. ..so, wie wenn sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten von der Größe h· f bestünde.

Zur Deutung des Photoeffekts schreibt Einstein:

In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie der Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt. ..Ein im Innern des Körpers mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit Wo zu leisten hat, wenn es den Körper verläßt.

Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen. Die kinetische Energie solcher Elektronen ist \[{E_{kin}} = h \cdot f - {W_0} \]
Hinweise:
  • In der Originalarbeit werden andere Variablen für die Beziehungen benutzt. Zur besseren Verständlichkeit haben wir die heute üblichen Bezeichnungsweisen eingefügt.
  • Den Nobelpreis für Physik bekam Einstein im Jahre 1921 nicht für seine bekannte Relativitätstheorie sondern für seine Arbeiten in der theoretischen Physik, insbesondere für die Deutung des Photoeffektes.

Originalarbeit von TAYLOR

Interferenzerscheinungen bei schwachem Licht

von G.I. Taylor, B.A., Trinity College
(in Verbindung mit Professor Sir J.J. Thomson, F.R.S.)
(gelesen am 25. Januar 1909)

Die Phänomene der Ionisierung durch Licht und durch Röntgenstrahlung haben zu einer Theorie geführt, nach der die Energie ungleichmäßig über die Wellenfront verteilt ist (J.J. Thomson, Proc. Camb. Phil. Soc. YIV, p. 417, 1907). Es gibt Regionen mit maximaler Energie, die weit getrennt sind durch ungestörte Flächen. Wenn die Intensität des Lichts verringert wird, werden diese Regionen noch weiter getrennt, aber der Betrag der Energie in irgend einer dieser Regionen ändert sich nicht; weil sie in unteilbaren Einheiten auftritt.

Insofern waren alle Beweise, die vorgebracht wurden, um diese Theorie zu stützen, indirekte Beweise, da alle üblichen optischen Phänomene durchschnittliche Effekte sind und somit unbrauchbar sind für die Differenzierung zwischen der gebräuchlichen elektromagnetischen Theorie und der Verbesserung dieser Theorie, die wir betrachten. Sir J.J. Thomson jedoch glaubte, wenn die Intensität des Lichts in einem Beugungsmuster so weit reduziert würde, dass nur wenige dieser unteilbaren Energieeinheiten die Huygens-Zone sofort erreichen könnten, würden die üblichen Phänomene der Beugung eingeschränkt. Es wurden Fotographien vom Schatten einer Nadel gemacht, wobei die Lichtquelle ein schmaler Spalt war, der vor einer Gasflamme angebracht war. Die Intensität des Lichts wurde durch Rauchglasscheiben verringert.

Bevor man irgendwelche Belichtungen machte, war es notwendig, herauszufinden, welcher Anteil des Lichts durch diese Scheiben ausgefiltert wurde. Eine fotographische Platte wurde dem direkten Gaslicht eine bestimmte Zeit ausgesetzt. Die Gasflamme wurde dann durch verschiedene der zu verwendenden Scheiben verdunkelt und andere fotographische Platten wurden dem Licht solange ausgesetzt, bis sie so schwarz waren, wie die erste Platte, die vollkommen entwickelt war. Die Belichtungszeiten, die nötig waren, um dieses Resultat zu erzielen, wurden indirekt proportional zu den Intensitäten angenommen. Experimente, die zum Test dieser Annahme durchgeführt wurden, bestätigten die Richtigkeit der Annahme, wenn das Licht nicht zu schwach war.

Es wurden fünf Fotographien gemacht, die erste mit direktem Licht und die anderen mit verschiedenen (Rauchglas-) Scheiben, die zwischen die Gasflamme und den Spalt gebracht wurden. Die Belichtungszeit für die erste Fotographie erhielt man durch ausprobieren, ein bestimmter Standard der Dunkelheit der fotographischen Platte wurde erreicht, wenn sie total entwickelt war. Die verbleibenden Belichtungszeiten wurden von der Ersten im inversen Verhältnis zu den entsprechenden Intensitäten gewonnen. Die längste Zeit waren 2000 Stunden oder etwa 3 Monate. In keinem Fall gab es eine Abnahme in der Schärfe der (Interferenz-) Muster, obwohl nicht alle Platten das Niveau an Dunkelheit der ersten Fotographie erreichten.

Um eine ungefähre Vorstellung von der Energie des Lichts zu bekommen, welche auf die fotographischen Platten in diesem Experimenten fällt, wurde eine fotographische Platte in einer Entfernung von zwei Metern dem Licht einer normalen Kerze solange ausgesetzt, bis die komplette Entwicklung dem üblichen Niveau der Dunkelheit entsprach. Zehn Sekunden waren dafür genug. Eine einfache Rechnung zeigt, dass der Betrag an Energie, der während der längsten Belichtungszeit auf die fotographische Platte fällt, derselbe ist, der von einer Norm-Kerze abgegeben wird, die in einer Entfernung von etwas mehr als einer Meile steht. Nimmt man den Wert der von Drude für die Energie im sichtbaren Teil des Spektrums einer normalen Kerze angegeben wird, so ist der Betrag der Energie, der auf einen Quadratzentimeter der fotographischen Platte fällt 5·10-6 erg pro Sekunde und die Energie pro Kubikzentimeter dieser Strahlung ist 1,6·10-16 erg.

Nach Sir J.J. Thomson stellt dieser Wert eine obere Grenze für den Betrag an Energie dar der in einem der unteilbaren Einheiten, die oben erwähnt wurden, enthalten ist.

Hinweise:

  • 1 erg = 1·10-7 J

  • Um ein Korn des Films zu schwärzen, reicht ein einzelnes Photon nicht aus. Das Taylor-Experiment war also kein reines "Ein-Photonen-Experiment" wie man es heut mit modernen elektronischen Hilfmitteln durchführen kann.

  • Die folgende Abbildung zeigt eine schematische Nachbildung des Taylor-Versuchs:

Für besonders interessierte Schülerinnen und Schüler zeigen wir hier auch noch den englischen Originaltext.

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