Big Bang 7, Schulbuch

Welle und Teilchen 33 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Quantenphysik 57 33.3 Und dann kam Einstein… Licht als Teilchen E INSTEIN ist auch bei Nicht-Physikern bekannt wie ein bunter Hund. Er wird aber meist nur mit seiner Relativitätstheorie in Verbindung gebracht. Tatsächlich war er aber auch maßgeblich an der Begründung der Quantenmechanik be- teiligt – obwohl er sie nicht leiden konnte! Die Frage nach dem Wesen des Lichts könnte man auch so stellen: Ist Licht kontinuierlich (hat es Welleneigenschaf- ten) oder körnig (hat es Teilcheneigenschaften)? Beginnend mit Youngs Doppelspaltexperiment setzte sich im 19. Jahr- hundert nach und nach wieder die erste Ansicht durch. Als dann auch noch um 1860 J AMES C LERK M AXWELL zeigen konnte, dass Licht zur Familie der elektromagnetischen Wellen ge- hört (siehe Kap. 28 ab S. 14), schien die Sache endgültig ge- ritzt zu sein: Licht ist eine Welle! Dann kam aber das Jahr 1905 . In diesem veröffentlichte A LBERT E INSTEIN neben seiner speziellen Relativitätstheorie auch eine Arbeit, in der er ein gewichtiges Argument für die Teilchentheorie des Lichts lieferte. Er war damit in der Lage, den seltsamen Fotoeffekt erklären zu können. Info: Fotoeffekt Das Irritierende an diesem ist, dass man die Elektronen mit UV-Licht aus der Zinkplatte herauslösen kann, nicht aber mit sichtbarem Licht gleicher oder sogar höherer Intensität. Das kann man mit dem Wellenmodell nicht erklären. Nach Im Jahr 1921 bekam Albert Einstein den Nobelpreis für Physik. Für welche Arbeit? L Wenn du dich nahe an eine helle Glühbirne setzt, dann gibt diese pro Fläche mehr Energie an deine Haut ab als die prallste Sonne (Abb. 33.14). Trotzdem wirst du keinen Sonnenbrand bekommen! Warum? Was versteht man unter einem Potenzialtopf? Was versteht man unter potenzieller und kinetischer Energie? Sieh nach in Kap. 4.3 und Kap. 8, „Big Bang 5“! Was versteht man unter der Einheit Elektron- volt (siehe Infobox Dreizehnkommasechs, S. 79)? Fotografie mit Filmen ist heute eine fast ausgestor- bene Technologie. In der Dunkelkammer verwendete man beim Entwickeln rotes Licht. Warum? L Wie funktioniert die Belichtung bei einer Digital- kamera? Was wird dabei belichtet? F10 W1 F11 S1 Abb. 33.14: Warum bekommt man von einer Glühbirne keinen Sonnenbrand? F12 W1 F13 E1 F14 E1 diesem würde es nämlich nur auf die Intensität der Lampe ankommen, also auf die Watt , die sie abstrahlt. Ob UV oder sichtbares Licht dürfte keine Rolle spielen. Genau das ist aber der Fall! E INSTEINS Erklärung dafür war revolutionär. Er zeigte, dass Licht aus kleinen Teilchen besteht, den Lichtquanten oder, wie man sie später nannte, Photonen . Ihre Energie ist proportional zu ihrer Frequenz. UV-Licht hat eine größere Frequenz als sichtbares Licht und daher haben UV-Photonen mehr Energie (siehe Tab. 33.1, S. 58). Sie schlagen somit här- ter auf der Zinkplatte auf und können somit die Elektronen herausschlagen. E INSTEIN verwendete für die Photonen-Ener- gie eine Gleichung, die M AX P LANCK ein paar Jahre früher aufgestellt hatte. Die Konstante h , die in der Gleichung vorkommt, ist das Planck’sche Wirkungsquantum (siehe Kapitel 30.1, S. 27). Es spielt in der Quantenmechanik eine sehr große Rolle und wird uns noch oft über den Weg laufen. Es kann nur experimentell bestimmt werden (siehe Abb. 33.17, S. 58). Ein dir aus dem Alltag bekannter Effekt ist ein guter Beleg für den Zusammenhang zwischen Licht-Frequenz und Pho- tonen-Energie: der Sonnenbrand . Dabei werden die Zellen der obersten Hautschicht durch die Photonen beschädigt ( F11 ). Diese benötigen dafür aber eine Mindestenergie, Info: Fußball und die Einstein-Gleichung Info: CCD und Digital-Kamera Fotoeffekt Der Fotoeffekt wurde bereits von B ECQUEREL 1839 entdeckt. Worum geht es dabei? Wenn man eine Zinkplatte negativ auflädt (Abb. 33.15 a) und sie dann mit UV-Licht bestrahlt, verliert sie wieder ihre Ladung (b). Wenn man aber vor die UV-Lampe eine Glasplatte gibt, bleibt die Platte negativ ge- laden (c). Besonders verblüffend: Wenn man die Platte mit einer normalen, sehr starken Lampe bestrahlt (d), kann man sie ebenfalls nicht zum Entladen bringen. Hast du eine Er- klärung dafür? i Abb. 33.15: Wenn man eine negativ geladene Zinkplatte mit UV-Licht bestrahlt, dann verliert die Platte wieder ihre überschüssigen Ladungen. Das kann man mit einem Elektroskop messen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv