Auffassungen vom Licht Licht ist aus physikalischer Sicht eine überaus komplizierte Erscheinung und verhält sich teilweise wie eine Welle und teilweise wie etwas Portionshaftes (Teilchen). Auch heute arbeitet man in der Optik mit verschiedenen Modellen, wobei jedes dieser Modelle nur einige Merkmale bzw. Eigenschaften des Lichts erfasst und darüber hinaus nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und sinnvoll anwendbar ist. 1. Teilchentheorie – Licht aus Teilchen Begründer: René Descartes (1596-1650) - franz. Philosoph, Naturwissenschaftler u. Mathematiker - entdeckte das Brechungsgesetz (Einfallswinkel=Reflexionswinkel Bedingung: Einfallslot, einfallender- reflektierter Strahl in einer Ebene) - 1669 stellte er die Theorie Licht als Teilchenstrahlung auf Sir Isaac Newton (1643-1727) - engl. Mathematiker und Physiker - gilt als Begründer der klassischen theoretischen Physik 17.Jh: Sowohl D. als auch N. glaubten an die Teilchentheorie des Lichts (Korpuskulartheorie) Sie nahmen an, dass ein Lichtstrahl aus einzelnen Teilchen, aufgereiht auf einer Geraden, besteht und sich allseitig, aber stets geradlinig ausbreitet Man kann sagen: Sie schufen das Modell Lichtstrahl, womit man die Eigenschaft des Lichts nachweisen kann Sie erkannten (was wir bereits wissen): - Lichtwege sind umkehrbar - sich kreuzende Lichtstrahlen nicht beeinflussen - hinter lichtundurchlässigen Körpern Schatten entstehen - Reflexion- und Brechungsgesetz uneingeschränkt gelten 2. Wellentheorie – Licht als Welle Begründer: Christiaan Huygens (1629-1695) Augustin Jean Fresnel (1788-1827) James Clerk Maxwell (1831-1879) Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) 1 3. Quantencharakter des Lichts Begründer: Max Planck (1858-1947) - dt. Physiker und Nobelpreisträger - Begründer der Quantentheorie - entdeckte die Quantelung der Energie von Strahlung Alber Einstein (1879-1955) - dt.-amerikan. Physiker und Nobelpreisträger (photoelektrischen Effekt) - bekannt als Schöpfer der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie - als Max Planck am 14. Dezember 1900 seine Quantenhypothese in einem Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin erstmals der Öffentlichkeit präsentierte, war das der Beginn einer neuen Epoche der Entwicklung der Naturwissenschaften - ich möchte versuchen, euch einige Elemente dieses Neubeginns nahe zu bringen – Doch dass dies nicht einfach ist, lässt sich daran erkennen, dass auch im Jahre 1900 keiner der Zuhörer merkte, dass die Tür zu einer ganz neuen Art der Naturbeschreibung geöffnet worden war - Planck selbst war damals noch nicht klar, dass er mit seiner Hypothese, Energie könne nur in ganz bestimmten Portionen - sogenannten Energiequanten - übertragen werden, die nachhaltigste Veränderung in der Physik seit Isaac Newton auslöste Geburtstag der Quantentheorie - Unabhängig von Plancks Arbeiten entwickelte Albert Einstein dann 1905 die Vorstellung, dass nicht nur der Energieaustausch zwischen Strahlungsfeld und Materie, sondern das Strahlungsfeld selber aus Lichtquanten besteht = Teilchen, die man später als Photonen bezeichnete - 1905 veröffentlichte er seine Lichtquantenhypothese in drei theoretischen Artikeln, die für die Entwicklung der Physik im 20. Jahrhundert von zentraler Bedeutung waren: 1. Art. untersucht die Brown’sche Molekularbewegung 3. Art. enthält die spezielle Relativitätstheorie 2. Art. (für uns bedeudent) befasst sich mit dem bis dahin unverstandenen Phänomen des photoelektrischen Effekts (Photoeffekt) - eines der Schlüsselexperimente für die Quantenphysik Der Photeffekt = die Auslösung von Elektronen aus Metallen durch Licht hinreichend hoher Frequenz -eine frisch geschmirgelte Metallplatte wird mit einem Elektroskop verbunden und negativ (positiv) geladen -bestrahlt man sie dann mit ungefiltertem Licht einer Quecksilberdampflampe, so geht der Zeigerausschlag rasch zurück (nicht zurück) –Elektronen werden abgesaugt. - diese Beobachtung wird verständlich, wenn man dem auf die Metallplatte treffenden Licht die Fähigkeit zuschreibt, aus der Metalloberfläche Elektronen herauslösen zu können. Einstein erklärt den Effekt durch die Übergabe der gesamten Energie eines Photons an ein Leitungselektron im Metall. (Leitungselektronen sind nicht an einzelne Atome gebunden, sondern im Metall frei beweglichauf ihnen beruht die elektrische Leitfähigkeit der Metalle) - zum Verlassen der Metalloberfläche muss dem Elektron jedoch ein vom Material abhängiger Energiebetrag, die Austrittsarbeit zugeführt werden - soll dies durch Photonenstoß geschehen, muss also das Photon mindestens diese Energie enthalten Einstein zeigte, dass die experimentellen Ergebnisse für verschiedene Metalle mit der Annahme erklärt werden konnten, dass die Energie E des Photons proportional seiner Frequenz f ist: E=h×f E… die Strahlungsenergie/Energie eines Lichtquants h… eine universelle Konstante, das so genannte Planck’sche Wirkungsquantum (fünf Jahre zuvor als neue Naturkonstante zur Erklärung der Frequenzabhängigkeit der Wärmestrahlung eingeführt h=6,62606876×10^-31) f… die Strahlungsfrequenz ist soll heißen: dass die in einem Lichtstrahl enthaltene Energie in einzelnen Einheiten (oder Quanten) übertragen werde stand im Widerspruch zu der vorherrschenden Vorstellung, Licht als Wellenerscheinung zu betrachten und somit stieß Einsteins Theorie zunächst auf einhellige Ablehnung man spricht von Dualismus Welle-Teilchen -D.h. Eine Reihe von Erscheinungen des Lichts (z.B. Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Polarisation, Streuung, …) lassen sich mithilfe des Wellenmodels deuten, ander (z.B. Photoeffekt, Comptoneffekt, Strahlungsdruck, Gravitationsrot-blau verschiebung, Fluoreszenzleuchten, Paarerzeugung, -vernichtung) nur mit dem Photonenmodell. Die Tatsache, dass zur vollständigen Beschreibung des Phänomens „Licht“ beide Modelle, dass Wellen- und das Teilchenmodell erforderlich sind, bezeichnet man als ~ 2 Zusammenhang zum Photoeffekt: - wird z.B. eine Fotozelle mit polarisiertem Licht bestrahlt, so lässt sich die Auslösung der Fotoelektronen nur mit dem Teilchenmodell erklären – dass nachweislich in Richtung des E-Vektors der einfallenden elektromagnetischen Welle mehr Elektronen austreten als in andere Richtungen, kann aber nur mit dem Wellencharakter der auftreffenden Strahlung zusammenhängen Nutzen aus den Erkenntnissen: - Die quantenphysikalische Beschreibung von Strahlungsfeldern und von Materie hat sich seit diesen Entdeckungen als ein äußerst erfolgreiches Erklärungsinstrument für zahlreiche Phänomene erwiesen: -wie z.B. Aufklärung der Struktur der Elementarteilchen, Physik des frühen Universums, Es betrifft vielmehr auch technologische Anwendungen, ohne die unser heutiges Leben vollkommen undenkbar wäre - Beispiele sind der Laser und der Transistor, der als wesentliche Komponente die heutige Informationstechnologie überhaupt erst ermöglicht - oder das Verfahren der Kernspinresonanz (spektroskopische Analysemethode), das die medizinische Diagnostik revolutioniert hat - Stromerzeugung aus Sonnenlicht mithilfe des Photoeffekts - So verwundert es dann auch nicht mehr, dass Berechnungen von Ökonomen zufolge 23 Prozent des amerikanischen Sozialproduktes auf Technologien zurückzuführen sind, die letztlich auf der Quantenmechanik beruhen 3