Big Bang 7, Schulbuch

Licht als Träger von Energie 35 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik 83 Zusammenfassung Bei einer stimulierten Emission wird das zweite ankommen- de Photon quasi verdoppelt. Ein Objekt in metastabilem Zustand ist stabil gegenüber kleinen Einflüssen, es befindet sich aber in seiner Nähe ein energetisch noch günstigerer Zustand. 35.4 Zusammenhängendes Licht Der Laser Laser sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Zum Beispiel befindet sich in jedem CD- oder DVD-Laufwerk einer und in der Scannerkasse im Supermarkt. Aber was ist eigentlich das Besondere am Laser? Der Laser ist eine Entwicklung, die auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik beruht. Er wurde um 1960 von T HEODORE M AIMAN entwickelt (Abb. 35.19, S. 84). Auch beim Laser werden die Photonen durch Quantensprünge erzeugt. Im Gegensatz zu allen anderen Lichtquellen agieren dabei die Elektronen aber als Kollektiv und erzeugen Licht, das aus völlig identischen Photonen besteht ( F14 ). Man sagt dazu kohärentes Licht, das bedeutet so viel wie „zusam- menhängend“ (Abb. 35.20, S. 84). Info: Akronym -> S. 84 Geisterphotonen Wenn man es genau nimmt, dann erfolgen die spontanen Emissionen gar nicht wirklich spontan, sondern auch sie werden durch Photonen ausgelöst. Allerdings nicht durch reelle, sondern durch virtuelle ! Wie das? Das Vakuum ist ja nicht wirklich leer! Die Heisenberg’sche Unschärferelation lässt zu, dass pausenlos virtuelle Teilchen erzeugt werden und sich nach Sekundenbruchteilen wieder eliminieren ( F13 ; Abb. 33.35, S. 65). Das gilt auch für Photonen. Ein „spontaner“ Quantensprung erfolgt gar nicht spontan, sondern die angeregten Elektronen werden durch „virtuelle Geisterphotonen“ wieder auf das Grundniveau befördert. i Z Was ist eigentlich das Besondere am Laser? Was hat ein Laser, was eine normale Lampe nicht hat? Und was bedeutet das Wort überhaupt? Was versteht man unter einem Halbleiter? Was versteht man unter Valenzelektronen? Lies nach in Kap. 34.5, S. 75! F14 W1 F15 W1 nicht spontan erfolgt, sondern vom heranfliegenden Photon angeregt wird, spricht man von einer stimulierten Emission. Info: Geisterphotonen In einem stabilen Zustand ist die potenzielle Energie immer ein Minimum. Wie ist das mit der Kugel in Abb. 35.16 a ( F12 )? Wenn sie nicht allzu stark ausgelenkt wird, ist sie stabil. Wenn man sie aber etwas stärker anstupst, dann wird sie in einen noch stabileren Zustand übergehen (b), quasi in den Grundzustand. Zustände ähnlich wie in Abb. 35.16 a nennt man in der Physik generell metastabil . Die griechische Silbe „meta“ bedeutet „zwischen“. Meta- stabilität bedeutet also „Zwischenstabilität“ und ist eine „schwache“ Form der Stabilität. Abb. 35.17: Die zwei Möglichkeiten der Aussendung (Emission) eines Photons: Bei Laser spielt die stimulierte Emission eine große Rolle. Auch bei Elektronenorbitalen gibt es unter ganz bestimm- ten, aber seltenen Bedingungen Metastabilität . Während bei einem Elektron normalerweise Verweildauer und Rück- sprung in Summe etwa 10 –8 s dauern, dauert es bei einem metastabilen Niveau einige Tausendstel Sekunden (10 –3 s), also 100.000-mal länger (Abb. 35.18 b). Für ein angeregtes Elektron ist das eine halbe Ewigkeit. Abb. 35.18: Modellhafte Vorstellung von angeregten Energieniveaus a) Die Kugel ist nicht stabil und rollt sofort zurück. b) Kleine Störungen sind möglich, ohne dass die Kugel aufs Grundniveau zurückrollt. Das entspricht einem metastabilen Zu- stand. Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv