Quantenphysik

Quantenobjekt Photon

Originalarbeit von TAYLOR

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

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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