Sexl Physik 8, Schulbuch

| 38 Für m 0 = 0 und v = c ergeben sich aber die unbestimmten Ausdrücke E = 0/0 und p = 0/0 , wir müssen Energie und Impuls durch andere Beziehungen definieren. Da die Photonenenergie durch die Frequenz festgelegt ist, können wir den Impuls bestimmen: p = = ( h·f ) = = Photonen verhalten sich wie Teilchen ohne Masse. Sie bewegen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit. Die Energie E und der Impuls p der Photonen hängen mit der Frequenz f und der Wellenlänge λ der Lichtwelle zusammen. Es gilt: E = h·f und p = h / λ Strahlungsdruck Wenn ein Strom von Photonen auf einen Körper trifft und absorbiert wird, übt er durch Impulsübertrag einen Druck p Str = P Str /( c·A ) aus, wobei P Str die Leistung der einfallenden Strahlung auf die Fläche A ist. Der Strahlungsdruck des Son- nenlichts macht sich eindrucksvoll bemerkbar bei Kometenschweifen ( 38.1 ), er wirkt sich auf Satelliten aus und stellt besonders bei GPS-Satelliten eine Fehlerquelle dar, er schickt die Teilchen des Sonnenwinds auf die Reise durch das Sonnensystem. In irdischen Anwendungen dient der Strahlungsdruck von Lasern dazu, Atome, Moleküle und auch biologische Zellen in optischen Fallen festzuhalten. Ableitung der Formel: Wenn N Photonen mit dem Impuls h·f / c in der Zeit- spanne t auf die Fläche A fallen, übertragen sie einen Impuls (Kraftstoß) F · t = N·h·f / c . Der Strahlungsdruck p Str ergibt sich daher als p Str = F / A = (1/ c ) h·f·N /( t·A ) = (1/ c ) P Str . Der Compton-Effekt Bei der Untersuchung der Eigenschaften der Röntgenstrahlen entdeckte der ameri- kanische Physiker a rthur h. c oMptoN (1892–1962) im Jahre 1922 einen merkwür- digen Effekt: Streut man Röntgenstrahlen z. B. an einem Grafitblock, so verringert sich ihre Frequenz. Mit der Wellentheorie des Lichtes lässt sich dieser Effekt nicht erklären. Sie sagt voraus, dass die Elektronen im Grafitblock durch die einfallende Strahlung zu Schwingungen angeregt werden und dadurch Strahlung mit derselben Frequenz aussenden. Compton konnte die Frequenzminderung mittels des Photonenmodells deuten. Bei der Streuung stoßen die einfallenden Photonen mit nahezu freien Elektronen im Grafit elastisch zusammen und geben beim Stoß einen Teil ihrer Energie E = h·f ab. Deshalb haben die gestreuten Photonen eine verringerte Energie E’ = h·f’ , die mit- tels der Erhaltungssätze für Energie und Impuls berechnet werden kann. Dadurch wird die Vorhersage p = h / λ für den Impuls des Photons bestätigt. Compton-Effekt, Röntgenspektrum und andere Bestätigungen des Photonenmo- dells stellten der Wellentheorie des Lichts eine Teilchentheorie des Lichts gegen- über. Widersprechen einander die beiden Theorien oder ergänzen sie sich? 3.2 Lichtteilchen und Lichtwellen Wie kann Licht gleichzeitig Teilchen und Welle sein? Nach den Vorstellungen der klassischen Physik sind diese beiden Eigenschaften miteinander unvereinbar: Licht müsste Welle oder Teilchen sein. Im Laufe der Entwicklung der Physik hatte man lange um diese Unterscheidung gerungen, bis schließlich Interferenzerschei- nungen den „Beweis“ für die Wellennatur des Lichtes zu liefern schienen. Ist dieser Beweis wirklich schlüssig? Aus dem Schluss „Wenn Licht eine Welle ist, dann gibt es Interferenz“ folgt nicht die Umkehrung. Die beobachtete Interferenz könnte auch andere Ursachen haben. Aus Experimenten können wir niemals eindeutig auf die Ursachen schließen. Alle Interpretationen von Experimenten erfolgen im Rahmen von Hypothesen. Daher 38.1 Kometen sind „schmutzige Schneebäl- le“, weil sie großteils aus gefrorenem Wasser, CO, CO 2 , H 2 S, CH 3 OH, … sowie mineralischem Staub und Geröll bestehen. In Sonnennähe verdampfen die gefrorenen Gase und hüllen den Kometenkern in eine Gaswolke, aus der zwei Kometenschweife entspringen. Der blass gelbe Staubschweif folgt der Kometenbahn und wird vom Strahlungsdruck der Sonne beeinflusst. Der blaue Schweif besteht aus Atomen, die unter dem Einfluss des Sonnen- winds (Protonen und Elektronen) wegströmen. Der abgebildete Komet wurde von den Amateurastronomen a lan h ale und t homas b opp entdeckt und war 1997 mit freiem Auge monatelang sichtbar. 38.2 Der Komet Churyumov-Gerassimenko wird während seiner Sonnennähe von einem Weltraumlabor umkreist, das u. a. die chemische Zusammensetzung des Kometen untersuchen soll. Die Gasfontänen aus der son- nenbeleuchteten Seite des Kometen wurden im Februar 2015 Entfernung aufgenommen. kurzwelliges einfallendes Photon langwelliges gestreutes Photon ruhendes Elektron gestreutes Elektron 38.3 Compton-Effekt: Ein energiereiches Photon überträgt in einem elastischen Stoß Energie und Impuls auf ein Elektron. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv