Quanten 1

November Quanten 1 [Mia Mayer] [Alexander Müllner] [Gabriel Sommer] [Ilvy Schultschik ] [Photoeffekt. Comptoneffekt. Korpuskulare Lichttheorie. Versagen der Wellentheorie.] 11 Inhaltsverzeichnis
Kontroverse W ellencharakter und Teilcharakter des Lichtes ............................... 3
Geschichtliches ............................................................................................................ 3
Grim aldi .......................................................................................................................... 3
Grim aldis Experim ent .................................................................................................. 3
Sir Isaac Newton .......................................................................................................... 3
Christian Huygens ........................................................................................................ 4
Huygens Experiment .................................................................................................... 5
Thom as Young .............................................................................................................. 5
Young’s Experiment ..................................................................................................... 6
Der photoelektrische Effekt .......................................................................................... 7
Der Compton-Effekt ...................................................................................................... 10
Geschichtliches .......................................................................................................... 10
Versuchsergebnisse ................................................................................................... 11
Interpretation .............................................................................................................. 12
W eitere Versuchsergebnisse: .................................................................................. 14
Herleitung und Berechnung: ..................................................................................... 14
Anwendungen von Com pton- und Photoeffekt......................................................... 15
Photodiode ................................................................................................................... 15
Optischer Rauchm elder ............................................................................................. 15
Photoelektrische Pulsmessung ............................................................................... 15
Photomultiplier ............................................................................................................ 16
Com pton-Teleskop .................................................................................................... 16
Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 17
Kontroverse Wellencharakter und Teilcharakter des Lichtes
Geschichtliches
Grimaldi
Francesco Maria Grimaldi (1618 - 1663) war ein italienischer Physiker und
Mathematiker.
Er untersuchte das Verhalten von Licht an einem Spalt und prägte den Begriff Beugung
oder Diffraktion. Grimaldi beobachtete und beschrieb darüber hinaus auch das
Phänomen der Interferenz. Seine grundlegenden Arbeiten in der Optik bildeten die
Basis für genauere Untersuchungen, die viel später von Physikern wie Isaac Newton,
Christiaan Huygens, Thomas Young oder Augustin Jean Fresnel angestellt wurden und
seine Vermutungen bestätigen und schließlich theoretisch erklären konnten.
Grimaldis Experiment
Grimaldis Experiment beschrieb ein wichtiges Phänomen des Lichtes, welches nicht mit
Hilfe der geometrischen Optik erklärt werden konnte: die Beugung. Dabei wird Licht
beim Durchgang durch eine Blendenöffnung oder beim Passieren einer Kante aus
nichttransparentem Material aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und
erscheint unter Winkeln, die gemäß den Gesetzen der geometrischen Optik nicht
möglich sind. Diese Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes
bezeichnete Grimaldi als „Diffractio“.
Er ließ durch ein kleines Loch in der Verdunkelung eines Fensters das Sonnenlicht
fallen. Der dabei entstehende Lichtkegel bildet auf einem weißen Blatt einen hellen
Kreis. In diesen Lichtkegel brachte Grimaldi einen undurchsichtigen Körper, so dass auf
dem Schirm ein Schatten entstand. Dabei konnte er farbige Ränder rund um den
Schattenkegel beobachten.
Sir Isaac Newton
Isaac Newton (1643 – 1727) war englischer Physiker und Verwaltungsbeamter.
Isaac Newton hatte durch die erfolgreiche Entwicklung seiner Axiome zur Mechanik und
durch die Formulierung des Gravitationsgesetzes einen sehr großen Einfluss auf die
wissenschaftliche Welt seiner Zeit. So ist es kein Wunder, dass sich seine
Teilchenvorstellung vom Licht zunächst gegenüber der Wellenvorstellung des Lichts
durchsetzen konnte, obwohl Newton mit der Erklärung des Phänomens der Beugung,
welche zu dieser Zeit durch Grimaldi bekannt war, große Schwierigkeiten hatte.
Newtons Korpuskulartheorie besagt, dass das Licht aus winzigen Teilchen (Korpuskeln)
besteht, die von den leuchtenden Körpern mit großer Geschwindigkeit geradlinig
ausgeschleudert werden und sich im leeren Raum bewegen.
Damit wich er grundlegend von Descartes ab, der Licht als Bewegung in Materie und
weißes Licht als ursprünglich beschrieben hatte (und sich damit nicht so weit von
Aristoteles entfernt hatte). Nach Newton entsteht der Eindruck der Farben durch
Korpuskeln unterschiedlicher Größe.
In der Schrift Hypothesis of Light von 1675 führte Newton das Ätherkonzept ein:
Lichtpartikel bewegen sich durch ein materielles Medium – dies war reiner
Materialismus.
1704 veröffentlichte Newton sein Werk „Opticks or a treatise of the reflections,
refractions, inflections and colours of light“ („Optik oder eine Abhandlung über die
Reflexion, Brechung, Krümmung und die Farben des Lichtes“).
In der „New Theory about Light and Colours“ vertrat Newton neben seiner Farb- auch
seine Korpuskeltheorie. Dies führte zu einem wiederum erbittert ausgetragenen Disput
mit Christiaan Huygens und dessen Wellentheorie des Lichtes.
Christian Huygens
Christiaan Huygens (1629 - 1695), auch Christianus Hugenius, war ein niederländischer
Astronom, Mathematiker und Physiker.
1690 veröffentlicht Huygens in Traité de la Lumière eine erste Wellentheorie des
Lichts, die ganz im Gegensatz zu Newtons korpuskularer Auffassung vom Licht steht.
Das nach ihm benannte Huygensche Prinzip lässt im Gegensatz zu Newtons Theorie
eine zwanglose Deutung von Reflexion, Brechung und Beugung zu:
1. Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt von Elementarwellen
(Kreis-
bzw.
Kugelwellen)
angesehen
werden,
die
sich
mit
gleicher
Geschwindigkeit und Frequenz wie die ursprüngliche Welle ausbreiten.
2. Die Einhüllende der Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront.
Mit der Elementarwellentheorie von Huygens, die nun nicht nur auf Wasser- oder
Schallwellen, sondern auch auf Licht angewandt wurde, konnte die Intensitätsverteilung
auf dem Leuchtschirm sehr wohl verstanden werden. Trotz der Dominanz des großen
Gelehrten Isaac Newton setzten sich die Ideen von Huygens - zunächst vornehmlich in
Europa, später auch in England - durch.
Vor allem deshalb weil 1820 Fresnel feststellte, dass die Lichtgeschwindigkeit im
optisch dichteren Medium kleiner ist, als im optisch dünneren Medium. Diese Tatsache,
wie auch die Schwierigkeiten der Korpuskeltheorie bei der Erklärung der Beugung,
führten dazu, dass sich die Wellenvorstellung bis ca. 1905 gegenüber der
Korpuskeltheorie durchsetzen konnte.
Huygens Experiment
In einer Wellenwanne (mit Wasser gefüllt) werden Wellen erzeugt und auf einen Spalt
gelenkt.
Dabei ist es nebensächlich, ob man Kugelwellen, oder ebene Wellen erzeugt. Treffen
nun diese Wellen auf einen Spalt, so breiten sich hinter diesem ebenfalls Wellen aus.
Das Erregerzentrum dieser Wellen liegt in der Spaltöffnung. Dieses Erregerzentrum
bilden die zum Schwingen angeregten Wasserteilchen im Spalt. Hinter diesem
Einzelspalt entstehen also immer Kugelwellen.
Thomas Young
Thomas Young (1773 - 1829) war ein englischer Augenarzt und Physiker.
Im Jahre 1801 begann Young eine Reihe von Experimenten zur Interferenz von Licht.
Dabei
konnte
er
seine
Erfahrungen
an
mechanischen
Wellen
(Schall-
und
Wasserwellen) gewinnbringend auf das Licht übertragen:
"But if the elevations of one series are so situated as to correspond to the
depressions of the other, they must exactly fill up those depressions, and the
surface of the water must remain smooth. . . Now, I maintain that similar effects
take place whenever two portions of light are thus mixed; and this I call the
general law of the interference of light."1
Mit seinen Interferenzexperimenten verhalf Young der Wellenvorstellung vom Licht
gegenüber der Korpuskulartheorie Newtons zum Durchbruch. Es gelang ihm die Farben
dünner Schichten (z.B. von Seifenblasen oder Ölfilmen auf Wasser) zu erklären und die
Größenordnung der Lichtwellenlänge abzuschätzen.
Young’s Experiment
Beim Doppelspaltversuch ließ Young das Sonnenlicht durch ein kleines Loch im
Fensterladen in das abgedunkelte Zimmer treten. Der so entstandene Lichtkegel trifft
auf zwei enge, parallel ausgerichtete Spalte deren Spaltmitten den Abstand besitzen.
Hinter dem Doppelspalt konnte auf einem Schirm eine Intensitätsverteilung des Lichtes
festgestellt werden, wie sie qualitativ im folgenden Bild dargestellt ist.
Abbildung 12: Doppelspaltexperiment
Diese Intensitätsverteilung kann mit der Korpuskulartheorie von Newton, bei dem Licht
als ein Strom kleiner (klassischer) Teilchen aufgefasst wird, nicht erklärt werden.
1
http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/geschichte/09young/young.htm, abgerufen am 06.10.11
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/sciweek2000/Doppelspalt.html, abgerufen
am 07.11.11
2
Der photoelektrische Effekt
Ausgehend von Max Plancks Postulat von der Energiequantisierung konnte Albert
Einstein im Jahre 1905 den photoelektrischen Effekt erklären. Dafür (also nicht für die
Entwicklung der Relativitätstheorie) erhielt er im Jahre 1921 den Nobelpreis für Physik.
Mit Einsteins Deutung des photoelektrischen Effekts war die Quantentheorie im
Wesentlichen bestätigt.
Abbildung 23: Aufbau des Experiments zum photoelektrischen Effekt
Die
Abbildung
zeigt
das
Schema
einer
Apparatur
zum
Untersuchen
des
photoelektrischen Effekts. Das Licht, das auf die Kathode C trifft, schlägt Elektronen
aus ihr heraus, die zur Anode A gelangen. Dadurch fließt ein elektrischer Strom, der mit
dem Amperemeter gemessen wird. Durch Erhöhen einer an die Anode A angelegten
negativen Gegenspannung werden Elektronen mit immer höherer kinetischer Energie
abgestoßen. Sobald der Strom null ist, kennt man die maximale Bewegungsenergie der
von der Kathode emittierten Elektronen. Der Versuch hat das überraschende Ergebnis,
dass diese maximale Elektronenenergie unabhängig von der Intensität des auf die
Kathode auftreffenden Lichts ist. Nach den Gesetzen der klassischen Physik wäre zu
erwarten, dass die einzelnen Elektronen bei höherer Lichtintensität mehr Energie
aufnehmen und daher mit höherer Geschwindigkeit aus dem Metall austreten. Wie
gesagt, dies ist jedoch nicht der Fall. Vielmehr ist - entgegen den klassischen Gesetzen
- die maximale kinetische Energie der emittierten Elektronen bei derselben Wellenlänge
des einfallenden Lichts stets gleich, unabhängig von dessen Intensität. Einstein erklärte
3
dies damit, dass die Lichtenergie quantisiert ist, also in kleinen Paketen, den
sogenannten Photonen, auftritt. Für die Energie E eines Photons gilt die Einstein'sche
Gleichung
(1)
Darin ist ν die Frequenz des Lichts und h das Planck'sche Wirkungsquantum. (Im Jahre
1900 hatte der deutsche Physiker Max Planck diese Konstante eingeführt, um
Diskrepanzen zwischen dem nach den klassischen Gesetzen und dem experimentell
ermittelten Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu erklären. Planck hatte
dazu postuliert, dass die Strahlung eines schwarzen Körpers in Quanten bzw. Portionen
mit der Energie hν absorbiert und emittiert wird. Jedoch war diese Größe für Planck
eher ein mathematischer Ansatz, um die experimentellen Befunde zu erklären, als eine
grundlegende Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung.) Der experimentell
ermittelte, heute gültige Wert des Planck'schen Wirkungsquantums ist
(2)
Ein Lichtstrahl besteht letztlich aus einer Menge von Teilchen - Photonen -, die jeweils
die Energie hν haben. Die Intensität, also die Leistung pro Flächeneinheit, eines
monochromatischen (einfarbigen) Lichtstrahls ist gleich der Anzahl der Photonen pro
Flächeneinheit und pro Zeiteinheit, multipliziert mit der Energie pro Photon. Die
Wechselwirkung
des
Lichtstrahls
mit
der
Metalloberfläche
besteht
beim
photoelektrischen Effekt in Zusammenstößen von Photonen und Elektronen. Dabei
können Photonen absorbiert werden, wobei jedes Photon seine gesamte Energie an ein
Elektron abgibt. Somit wird ein Elektron aus der Oberfläche emittiert, nachdem es seine
kinetische Energie von einem der Photonen erhielt, das danach nicht mehr besteht. Bei
zunehmender Lichtintensität treffen pro Zeiteinheit mehr Photonen auf die Oberfläche,
und es werden mehr Elektronen abgelöst. Weil aber jedes Photon dieselbe Energie hν
hat, ist auch die kinetische Energie eines jeden emittierten Elektrons ebenso groß.
Die maximale kinetische Energie der Elektronen, die durch das Licht aus der Kathode
herausgeschlagen werden, ist bei der Frequenz v der Photonen gegeben durch
(3)
In dieser Einstein'schen photoelektrischen Gleichung ist WAbl die sogenannte
Ablösearbeit. Sie ist die Energie, die mindestens aufzubringen ist, um ein Elektron aus
der Metalloberfläche herauszuschlagen. Ihr Betrag ist charakteristisch für das jeweilige
Metall. (Einige der emittierten Elektronen haben eine kinetische Energie, die kleiner ist
als hν – WAbl; das liegt daran, dass sie innerhalb des Metalls, also vor dem Austritt,
aufgrund von Stößen etwas Energie verlieren.)
Wenn man die maximale kinetische Energie Ekin,max der herausgeschlagenen Elektronen
gegen die Lichtfrequenz ν aufträgt, dann sollte sich gemäß Einsteins photoelektrischer
Gleichung eine Gerade mit der Steigung h ergeben. Das war im Jahre 1905, als
Einstein diese Beziehung aufstellte, eine kühne Aussage; schließlich gab es noch
keinen Beweis dafür, dass das Planck'sche Wirkungsquantum auch bei anderen
Phänomenen als der Strahlung eines schwarzen Körpers irgendeine Bedeutung hat.
Zudem gab es noch keine experimentellen Daten zur Abhängigkeit der Energie Ekin,max
von der Frequenz ν, weil ja noch niemand vermutet hatte, dass die Lichtfrequenz und
die
Bewegungsenergie
der
herausgeschlagenen
Elektronen
miteinander
zusammenhängen. Der experimentelle Nachweis dieser Abhängigkeit war schwierig,
doch Robert Andrews Millikan konnte ihn rund zehn Jahre später erbringen.
Abbildung 34: Millikan‘s Messwerte zum photoelektrischen Effekt.
4
http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/, entnommen am 07.11.11
Ist die Frequenz der Photonen geringer als eine bestimmte kritische Frequenz oder
Grenzfrequenz νk, dann haben sie nicht genug Energie, um Elektronen aus dem
betreffenden Metall herauszuschlagen. Die entsprechende Grenzwellenlänge ist
𝜆𝑘=𝑐𝜈𝑘. Mit Gleichung (3) lässt sich die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz bzw.
der Grenzwellenlänge und der Ablösearbeit WAbI aufstellen; dazu ist die maximale
kinetische Energie der herausgeschlagenen Elektronen gleich null zu setzen. Dies
ergibt
(4)
Die Ablösearbeiten der Metalle liegen gewöhnlich bei einigen Elektronenvolt. Die
Wellenlänge des Lichts gibt man dabei normalerweise in Nanometern und die
Elektronenenergie in Elektronenvolt an. Daher ist es nützlich, den Wert von h in
Elektronenvolt Nanometer anzugeben:
Der Compton-Effekt
Geschichtliches
Bis zur Entdeckung des Compton-Effekts war der Photoeffekt der einzige Befund, dass
Licht sich nicht nur wie eine Welle, sondern auch, wie von Albert Einstein 1905
postuliert, wie ein Strom von Teilchen verhält.
Im Jahre 1923 führte Arthur Compton Streuversuche mit hochenergetischen
Röntgenstrahlen an Graphit durch. Er richtete kohärente Röntgenstrahlen auf einen
Graphitblock
und
untersuchte
die
die
Wellenlängen
und
Intensitäten
der
Röntgenstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von dem Streukörper gestreut
wurden.
Abbildung 45: Aufbau des Experiments zum Compton - Effekt
Versuchsergebnisse
Überraschenderweise stellte er fest, dass obwohl im einfallenden Röntgenstrahl nur
eine einzige Wellenlänge vertreten war, man bei den gestreuten Röntgenstrahlen ein
breites Spektrum an Wellenlängen mit zwei ausgeprägten Intensitätmaxima erkennt. Ein
Maximum liegt bei Wellenlänge λ das zweite bei einer Wellenlänge λ' die um eine
Wellenlängenverschiebung ∆λ (die sogenannte Compton Verschiebung) länger ist. Je
größer der Streuwinkel desto größer wurde der Wert der Compton-Verschiebung.
Abbildung 56: Diagramme (bei verschiedenen Streuwinkeln nimmt ∆λ der
Wellenlängenunterschied zu. Maximal bei 180°)
5
6
www.mathe-schule.de/download/pdf/Physik/Compton-Effekt.pdf, entnommen am 07.11.11
http://www.desy.de/~ujastrow/diplom/2.html, entnommen am 07.11.11
Es traten also (in Abhängigkeit des Winkels) auch Wellenlängen auf, die wesentlich
größer waren als die Wellenlänge der eingehenden Röntgenstrahlung.
Diese
Beobachtung
war
jedoch
mit
der
Vorstellung
unverträglich,
eine
elektromagnetische Welle werde an freien Elektronen (Thomson Streuung7) oder an
gebundenen Elektronen (Raileigh Streuung8) gestreut.
Die Elektronen würden diesem
Modell zufolge mit der Frequenz der einfallenden Welle beginnen zu schwingen und
eine Welle mit unveränderter Frequenz wiederum aussenden. Es wäre also zu erwarten,
dass alle gestreuten Röntgenstrahlen dieselbe Frequenz und dieselbe Wellenlänge
haben.
Stattdessen zeigten Comptons Messungen wie schon erwähnt eine Abhängigkeit der
Wellenlänge der gestreuten Strahlung zum Streuwinkel. Man beobachtete also
zusätzlich zu der spektral unverschobenen Streustrahlung noch eine spektral
verschobene Komponente mit längerer Wellenlänge also niedrigerer Frequenz und
kleinerer Energie.
Diese Wellenlängenverschiebung ist völlig unabhängig vom Streumaterial.
Interpretation
Mit der Lichtquantenhypothese wird das Experiment als Zusammenstoß zwischen zwei
Teilchen beschrieben, genauer gesagt als elastischen Stoß von Teilchen wobei eine
Energie- und Impulsübertragung stattfindet.
Die elektromagnetischen Strahlung wird dabei als Strom von Röntgenphotonen
interpretieren die beim Zusammenstoß mit den locker gebundenen9 Elektronen aus
dem Graphitblock, einen Teil ihrer Energie übertragen. Dem Elektron wird demnach ein
7
Thomson - Streuung ist eine rückstoßfreie Streuung, d. h. es findet kein Energieübertrag vom Photon
auf das Elektron statt. Sie tritt nur aufle solange die Energie der einfallenden Photonen klein genug ist, d.
h. die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung viel größer ist als ein Atomradius
8
Rayleigh - Streuung: Streuung an gebundenen Elektronen oder ganzen Atomen.
9
Da die Bindungsenergie von Elektronen an Atome in der Regel nur einige Elektronenvolt beträgt und um
ein Vielfaches kleiner ist als die Ionisationsenergie beim Beschuss mit den sehr energiereichen
Röntgenphotonen, kann diese zum Herauslösen der Elektronen vernachlässigt werden. (Röntgenphotonen
-11
3
.
besitzen allg. Wellenlänge: λ=7,11*10 m und Energie: E=17,4*10 eV) Die Elektronen können also als
nahezu frei angesehen werden.
Teil der kinetischen Energie des Röntgenphotons übertragen. Die Energie des
gestreuten Photons muss daher kleiner als die des einfallenden Photons sein und
folglich weisen die gestreuten Röntgenphotonen eine geringere eine kleinere Frequenz
bzw. eine vergrößerte Wellenlänge als die ursprüngliche Röntgenstrahlung auf.
Je größer der Streuwinkel (= Richtungsänderung) des Photons ist, umso mehr nimmt die
Wellenlänge zu. Hier erklärt sich der Zusammenhang mit dem Streuwinkel.
Ganz allgemein gilt, dass die Energie des einstrahlenden Röntgenphotons viel größer
sein muss, als die Auslösearbeit des Elektrons aus dem Streukörper:
h·ν >> EA
(5)
Abbildung 610: Compton - Effekt
Dies ist außerdem ein Grund dafür, dass der Compton-Effekt nur bei sehr kurzwelliger
Strahlung, im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung, beobachtet werden kann. Bei
10
http://mta-r.de/wp-content/uploads/2011/09/compton-effekt.gif, entnommen am 07.11.11
großer Wellenlänge ist deren relative Zunahme gering, die Streuung erscheint ohne
Energieverlust stattzufinden, man spricht dann von Thomson Streuung.
Weitere Versuchsergebnisse:
Der Wellenlängenunterschied ∆λ= λ‘- λ hängt nicht von der Wellenlänge des
Röntgenphotons ab, sondern nur von dem Streuwinkel.
Je größer der Streuwinkel desto höher die Intensität der Strahlung mit Wellenlänge λ‘
und desto niedriger die Intensität der Strahlung mit Wellenlänge λ.
Bei gleichem Winkel ist der Wellenlängenunterschied ∆λ nicht vom Material des
Streukörpers abhängig.
Herleitung und Berechnung:
Energieerhaltung: Die Summe der Energie des Photons und der Ruheenergie des
Elektrons vor dem Stoß ist genausogroß wie die Summe der Energie des gestreuten
Photons und der Bewegungsenergie des Elektrons nach dem Stoß. Da das Photon
Lichtgeschwindigkeit
hat
und
auch
das
Elektron
nach
dem
Stoß
große
Geschwindigkeite erreichen kann, müssen wir den relativistischen Energie und
Impulssatz anwenden.
Impulserhaltung: Die Summe der Impulse vor dem Stoß ist genauso groß wie die
Summe der Impulse nach dem Stoß, dies gilt ebenfalls für die Impulsanteile in
Stoßrichtung und senkrecht zu ihr.
Es entstehen dann die folgenden Gleichungen:
h · ν0 + m0e · c2 = h · ν + m ·c2
(h · ν0) / c = (h · ν ) / c ·cos φ + m·v · cos θ
0 = (h · ν) / c ·sin φ - m·v · sin θ
(2)
(3)
(4)
Die Gleichung (2) beschreibt die Energieerhaltung, (3) bzw. (4) die Impulserhaltung in
Stoßrichtung bzw. senkrecht zu ihr. Die Bezeichnung m
0e
symbolisiert die Ruhemasse
des Elektrons, m bezeichnet die mit der Geschwindigkeit v bewegte Masse.
Aus den Gleichungen (1) bis (3) läßt sich ableiten, dass - abhängig vom Streuwinkel φ eine Wellenlängenverschiebung Δλ auftritt.
Δλ = λ – λ0 = (h / m0e·c )· ( 1 – cos φ ) = λC · ( 1 – cos φ )
(5)
Die Wellenlänge λ‘ ist die Wellenlänge des gestreuten Lichts, λ die Wellenlänge der
einfallenden Strahlung. λ wird auch als Compton - Wellenlänge bezeichnet.
C
Betrachtet man die Compton-Streuformel
11
, so sieht man, dass die gestreute
Wellenlänge von dem Streuwinkel und von der Masse des Streukörpers abängt.
Anwendungen von Compton- und Photoeffekt
Photodiode
Dies sind Halbleiterdioden, bei denen Strom erzeugt wird, wenn sie mit IR-, UV- oder
sichtbarem Licht bestrahlt werden (eigentlich wenn die p-n-Zonen bestrahlt werden,
dort sind freie Elektronen); Elektronen werden durch Licht vom Valenz- ins Leiterband
angehoben.
Optischer Rauchmelder
man nimmt Photodiode zu Hilfe;
Licht strahlt im Rauchmelder, aber bei reiner Luft nicht zur Photodiode. Wenn
Rauchpartikel drinnen sind, wird das Licht daran gestreut und so passiert es, dass es
an die Photodiode strahlt (dort kommt es zum Photoeffekt)
Photoelektrische Pulsmessung
Fingerclip mit einer Leucht- und einer Photodiode; Licht kommt durch Finger durch und
gelangt so zur Photodiode; Intensität des Lichtes von Blutfluss abhängig, Pulsfrequenz
anhand von durchkommender Lichtintensität messbar.
11
Compton – Streuung: Bei kürzeren Wellenlängen, also höheren Energien, muss der Rückstoß des
Elektrons berücksichtigt werden
Photomultiplier
Photonen werden auf Kathode gelenkt, Elektronen lösen sich (Photoeffekt); diese
werden beschleunigt und auf Dynoden gelenkt (aus denen sich jeweils η Elektronen [310, materialabhängig] lösen). Die letzte Dynode ist eine Anode, welche als
Signalabnehmer dient. Durch viele Dynoden gibt es ein stark verstärktes Signal
(Verstärkung um ηm, wobei m Anzahl Dynoden). Signal proportional zur Photonenenergie
E=hf.
Compton-Teleskop
Einige astronomische Objekte senden γ-Strahlen aus, mit optischen Instrumenten nicht
beobachtbar. Mit Compton-Teleskopen können solche Strahlen sichtbar gemacht
werden. Strahl kommt auf Detektor 1, in dem es zum Comptoneffekt kommt. Der
abgelenkte Strahl trifft nachher auf einen zweiten Detektor, in dem er vollkommen
absorbiert wird. An beiden Detektoren sind Photomultiplier angeschlossen, sodass
beide Energien gemessen und somit auch die Energie des einfallenden γ-Strahls
bestimmt werden kann.
Literaturverzeichnis
Feynmann, Richard et al.: „Feynman-Vorlesung über Physik. Band 1. Mechanik,
Strahlung, Wärme“, München Wien: Oldenburg Verlag (2007)
Halliday, David: “Halliday Physik: Beachelor Edition“, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH
& Co. KGaA (2007)
Tipler, Paul/Mosca, Gene: “Physik: für Wissenschaftler und Ingenieure“, Heidelberg:
Spektrum Akademischer Verlag (2009)
Wagner, Paul/Reischl, Georg/ Steiner, Gerhard: “Einführung in die Physik“, Wien:
Facultas Universitätsverlag (2009)