Präsentation
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Quanten 1 Korpuskulare Lichttheorie, Wellentheorie, Photoeffekt, Comptoneffekt, Anwendungen Korpuskulare Lichttheorie – Wellentheorie des Lichtes Francesco Grimaldi (1618 - 1663) • Beim Versuch mit Licht an einem Spalt beobachtete er das Phänomen der Beugung. • Grimaldi prägte den Begriff Beugung/Diffraktion. • Seine Arbeiten bildeten die Basis für weitere Experimente ©http://de.wikipedia.org/wiki/Frances co_Maria_Grimaldi 3 Grimaldis Experiment Sonnenlicht fällt durch ein kleines Loch in der Verdunkelung eines Fensters Man kann den entstehenden Lichtkegel auf einem Blatt Papier beobachten Undurchsichtigen Körper in Lichtkegel platzieren Schatten hat farbige Ränder (Diffraktion) 4 Sir Isaac Newton (1643 – 1727) • Axiome zur Mechanik • Formulierung des Gravitationsgesetzes großer Einfluss auf die wissenschaftliche Welt seiner Zeit • Korpuskulartheorie © http://de.wikipedia.org/wiki/Sir_Isaac_Ne wton 5 Newtons Experiment Versuche am Prisma © http://farbe.wisotop.de/vomLichtZumFarbkreis.shtml 6 Newtons Erklärung zur Brechung des Lichtes • cWasser > cLuft ©http://macsclassroom53.wordpress.com/ 7 Christiaan Huygens (1629 - 1695) • Entwickelte die erste Wellentheorie des Lichts Huygensches Prinzip: Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Welle, der so genannten Elementarwelle. • Wellentheorie lässt zwanglose Deutung von Brechung zu © http://de.wikipedia.org/wiki/Christiaan_Huy gens 8 Huygens Erklärung zur Brechung des Lichtes • cLuft > cWasser ©http://macsclassroom53.wordpress.com/ 9 Thomas Young (1773 – 1829) • Experimente zur Interferenz von Licht (1802) "But if the elevations of one series are so situated as to correspond to the depressions of the other, they must © http://de.wikipedia.org/wiki/Thomas_ Young_%28Physiker%29 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." 10 Youngs Experiment Doppelspaltexperiment (stark vereinfachte Darstellung): • Sonnenlicht fällt durch ein kleines Loch in der Verdunkelung eines Fensters • Lichtkegel trifft auf zwei enge, parallel ausgerichtete Spalte (Doppelspalt) 11 Youngs Experiment • Intensitätsverteilung des Lichtes • Licht Welle 12 Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868) • Lichtgeschwindigkeit ist im optisch dichteren Medium kleiner, als im optisch dünneren Medium • cLuft: 298 000 km s-1 • cWasser: 225 000 km s-1 • cGlas: 200 000 km s-1 • Licht Welle © http://de.wikipedia.org/wiki/Jean_Bernard_L %C3%A9on_Foucault 13 Grimaldi (1665) Newton (1704) Huygens (1690) Foucault (1853) Young (1802) Einstein (1905) 14 Comptoneffekt Facts • 1923 Versuch von Arthur Compton • Streuversuche mit hochenergetischen Röntgenstrahlen an Kohlenstoffpräparate n • Nobelpreis 1927 • Untermauerte den Teilchencharakter elektromagnetischer Strahlen 16 Versuchsaufbau Röntgenstrahlen werden an einem Kohlenstoffblock gestreut und bei verschiedenen Winkeln beobachtet Röntgenstrahlung: hochfrequente Form elektromagnetischer Strahlung kleine Wellenlänge λ=7,11*10-11 m bei hoher Energie E=17,4*103 eV 17 Ergebnisse Bei verschiedenen Streuwinkeln, gibt es immer größer werdende Wellenlängenunterschiede Abstand der 2 Intensitätsmaxima Je größer der Streuwinkel, desto größer der Wert der ComptonVerschiebung. 18 Veranschaulichung 19 Energieerhaltung Frequenz: kin. Energie des Elektrons (relativistisch) 20 Impulserhaltung Photonenimpuls: der Impuls des gestreuten Elektrons: 21 entlang x-Achse entlang y-Achse ComptonVerschiebung in Abhängigkeit des Streuwinkels λC = Compton-Wellenlänge 22 • Der Wellenlängenunterschied ∆λ= λ‘- λ hängt nicht von der Wellenlänge des Röntgenphotons ab, sondern nur von dem Streuwinkel • Bei gleichem Winkel ist der Wellenlängenunterschied ∆λ nicht vom Material des Streukörpers abhängig • Je größer der Streuwinkel desto höher ist die Intensität mit Wellenlänge 23 Woher kommt dann das erste Maximum? 24 Der Photoelektrische Effekt (Photoeffekt, Fotoeffekt, Lichtelektrischer Effekt) Entdeckung des Photoeffekts: • 1839 von Alexandre Becquerel beobachtet • um 1888 von Wilhelm Hallwachs und Friedrich Hertz untersucht • um 1900: P.E.A. Lenard – Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen unabhängig von der Lichtintensität Intensität beeinflusst nur Anzahl der ausgelösten Elektronen 26 Aufbau des Experiments: • Licht beleuchtet Kathode Photostrom Iphot • Anlegen einer Spannung Gegenpotential • Gegenpotential groß genug Iphot = 0 1 2 2 me v max e U 0 27 Experimentelle Beobachtungen: • Geschw. der e- unabh. von Intensität, nur Abhängigkeit von der Frequenz • Materialabhängige Grenzfrequenz νk νLicht < νk: kein Photoeffekt • Zahl der ausgelösten e- abh. von Intensität • Effekt setzt ohne messbare Verzögerung nach Einschalten ein trägheitslos Im Widerspruch mit Wellentheorie! 28 Erklärung des Photoeffekts: • Planck‘sches Postulat von der Energiequantisierung der schwarzen Strahlung • Ausbreitung von Strahlung nicht kontinuierlich, sondern in endlichen Energieportionen – Energiequanten • Idee aufgegriffen von Einstein Quantentheorie des Lichts – Photonen (Lichtquanten) 29 Einstein‘s Annahmen: • Monochromatisches Licht der Frequenz ν besteht aus Photonen mit kinetischer Energie hc • E h Photon Zusammenstoß des Photons mit einem des Elektron Elektron nimmt Energie Photons auf • Energie groß genug Ablösearbeit WA (materialabh.) überwunden Elektron frei 30 Einsteinsche Gleichung: max h WA • Maximale kinetische Energie eines Elektrons = Energie des absorbierten Photons – Austrittsarbeit Ekin • Negative kinetische Energie macht keinen Sinn Elektron wird im Fall WA > h ν nicht ausgelöst Ekin = 0 h νk = WA Grenzfrequenz νk =WA/h • Geradengleichung (y = k x + d) mit y = Ekin, x = ν, d = - WA 31 Millikan: • Versuchte Einstein mit Experimenten zu widerlegen scheiterte • Bestrahlte viele verschiedene Metalle mit Licht unterschiedlicher Frequenzen • Ergebnis: 32 Millikan: • Man erkennt: Für jedes Metall ergibt sich Gerade mit Steigung h und Ordinatenabschnitt WA • Nullstellen dieser Geraden geben die Grenzfrequenz des jeweiligen Metalls an • Unterhalb der Grenzfrequenz erhält man naturgemäß keine kinetische Energie, kann aber extrapolieren und damit die Austrittarbeit berechnen 33 Anwendungen von Photound Comptoneffekt 34 Photomultiplier Photon trifft auf Kathode, Elektronen werden ausgelöst Treffen auf Dynoden, weitere Elektronen lösen sich messbares elektrisches Signal (proportional zu E=h*f) 35 Photodiode Photonen treffen auf Halbleiter → Elektronen lösen sich Photonenstrom entsteht Anwendungen: optischer Rauchmelder, photoelektrischer Pulsmesser, Lichtschranken, CD-Player, ... 36 Compton-Teleskop Röntgen-Strahl trifft auf Detektor, Strahl wird abgelenkt und Elektron verschiebt sich in Detektor abgelenkter Röntgen-Strahl trifft auf anderen Detektor und wird absorbiert Energie des einfallenden Strahls bestimmbar; ERönt=Ekin(e-)+E'Rönt 37
