Auffassungen vom Licht Vortrag

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:
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Christiaan Huygens (1629-1695)
Augustin Jean Fresnel (1788-1827)
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)
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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 ~
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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
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