Kontroverse Lichttheorien Auf die Frage, ob Licht aus Teilchen oder

Kontroverse Lichttheorien
Auf die Frage, ob Licht aus Teilchen oder Wellen besteht, hat man im Laufe der Jahre unterschiedliche
Antworten gegeben:
Huygens (1629-1695) gilt als Begründer der Wellenoptik, konnte seine Annahmen allerdings nicht
experimentell beweisen. Sein huygenssches Prinzip wird heute noch unverändert angewendet.
Newton entwickelte ebenfalls im 17. Jahrhundert die geometrische Optik unter der Annahme, das Licht
bestehe aus Teilchen (Korpuskeltheorie). Im Streit mit Huygens, ob denn nun dessen Wellentheorie
(Wellenoptik) oder die Korpuskeltheorie richtig sei, siegte Newton Dank seiner größeren Autorität.
1802 zeigte Young experimentell mit dem Doppelspaltexperiment, dass Licht sich durch Interferenz
auslöschen lässt. Das wurde als eindeutiges Indiz für dessen Wellencharakter interpretiert.
Polarisierbarkeit sowie Vorhersage und Nachweis des Poisson-Flecks sorgten zusammen mit der
Formulierung der Maxwellgleichungen Ende des 19. Jahrhunderts dafür, dass die Wellennatur des
Lichtes allgemein anerkannt wurde.
Die Entdeckung und Untersuchung des photoelektrischen Effektes im gleichen Zeitraum zeigt, dass
sich dieser Effekt sicher nicht mit Lichtwellen erklären lässt. Die Erklärung durch Einstein im Jahr 1905
beruht auf der Annahme von Lichtteilchen und war nach Plancks Entdeckung seines
Wirkungsquantums im Jahre 1900 der zweite Startpunkt der Quantenmechanik.
Der Photoeffekt
Die Auslösung von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch Licht wird als äußerer Photoeffekt
bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist der Hallwachseffekt (siehe Abbildung). Dabei wird eine geladene
Zinkplatte dadurch entladen, dass Licht aus der Platte Elektronen herausschlägt.
Abbildung 11 : Hallwachs Experiment
Eine Erklärung des Effekts mit der Wellentheorie des Lichts stößt auf Schwierigkeiten. Er wird daher als
ein Beleg für die Photonenhypothese angesehen.
Nach der Photonenvorstellung strömt Licht nicht als räumlich kontinuierlich verteilte elektromagnetische
Energie von der Lichtquelle weg, sondern als eine Vielzahl von Energieportionen. Man kann also in
diesem Sinne von einem "Strom von Teilchen" sprechen.
Die Energiebilanz beim Photoeffekt lautet:
h · f = EKin + WA + WS
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Die Maximalenergie der ausgelösten Elektronen beträgt also: Ekin,,max = h · f - WA (Einstein-Gleichung).
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http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/kap1/k13p01.html, entnommen am 07.11.11
Beim Photoeffekt treffen Photonen auf eine Metalloberfläche und werden absorbiert. Die Energie h · f
eines Photons wird auf ein Elektron übertragen; mit der gewonnenen Energie kann das Elektron das
Metall verlassen.
Die Energiebilanz kann experimentell mit der Gegenfeldmethode überprüft werden.
Abbildung 22: Messwerte von Millikan
Das Plancksche Wirkungsquantum h kann aus der Steigung der Geraden durch die Messpunkte
bestimmt werden (Präzise Messungen ergeben: h = 6,6262 · 10-34 Js).
Für verschiedene Materialien ergeben sich Geraden mit der gleichen Steigung, jedoch mit
unterschiedlichen Achsenschnittpunkten. Diese resultieren aus den materialabhängigen
unterschiedlichen Austrittsarbeiten.
Compton Effekt
Um 1922 untersuchte Arthur Holly Compton die Streuung von Röntgenstrahlen an Graphit und anderen
leichten Elementen, d.h. an Elementen, bei denen die Elektronen sehr locker gebunden, praktisch frei
sind.
Abbildung 33: Schematische Versuchsanordnung
Dazu strahlte er paralleles Röntgenlicht aus einer Röntgenquelle R der Frequenz ν0 auf den
Streukörper S und untersuchte in Abhängigkeit vom Streuwinkel φ die Intensität I und Frequenz ν des
gestreuten Lichts.
Das Ergebnis der Versuche (Intensität und Frequenz des gestreuten Lichtes sind abhängig vom
Streuwinkel) widersprach den Erwartungen (Intensität und Frequenz sind für jeden Streuwinkel
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http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/kap1/k14p01.html, entnommen am 07.11.11
http://www.maphi.de/physik/compton.html
konstant) und konnte mit den klassischen Ansätzen der Physik nicht erklärt werden. Die Erklärung
erfolgt mit Hilfe der Einsteinschen Theorie über das Licht als Photonen.
Annahme: Es sind freie Elektronen e- vorhanden. Das heißt, die Energie des eingestrahlten Photons
muss viel größer sein als die Auslösearbeit des Elektrons aus dem Streukörper: h·ν >> EA.
Anwendungen
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.
Photomultiplier
Photonen werden auf Kathode gelenkt, Elektronen lösen sich (Photoeffekt); diese werden beschleunigt
und auf Dynoden gelenkt (aus denen sich jeweils η Elektronen [3-10, 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 γStrahls bestimmt werden kann.