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Welle-Teilchen-Dualismus

Licht als Teilchen und der Schritt von der Optik zur Quantenmechanik

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Licht als Teilchen

Du hast gelernt, dass du die einfachsten Eigenschaften des Lichts, Reflexion und Brechung, schon verstehen kannst, wenn du dir Licht einfach als einen Strahl vorstellst. Einfache Geometrie ist ausreichend, um den Lichtweg bei einer Reflexion am Spiegel oder bei einer Brechung beim Übergang des Lichts von Luft in Wasser darstellen zu können. Darüber hinaus hast du die Phänomene Beugung und Interferenz kennengelernt, die du nur verstehen kannst, wenn du dir Licht als eine Welle vorstellst. Licht ist also beides: Strahl und Welle. Je nachdem, welches Phänomen du beschreiben willst, nutzt du eins der beiden Modelle.

Fotovoltaikanlage.jpg

Mit Entdeckung des Photoeffekts ist allerdings ein weiteres Lichtphänomen aufgetreten, das sich nicht durch bestehende Vorstellungen des Lichts erklären lässt. Der Photoeffekt ist die physikalische Grundlage der Photovoltaik. Sicherlich kennst du die Photovoltaikanlagen, die inzwischen auf vielen Hausdächern zu finden sind. Sie bestehen aus Photozellen, die aus Licht Strom erzeugen. Dies funktioniert in etwa so: Sonnenlicht dringt in die Photozelle ein und katapultiert ein Elektron aus der Zelle hinaus. Dieses Elektron ist dann als Strom messbar. Experimente im 20. Jahrhundert zeigten allerdings, dass dieser Effekt nicht durch die Wellennatur des Lichts erklärbar ist. Albert Einstein war es schließlich, der mit seiner Lichtquantenhypothese postulierte, dass Licht als Teilchen zu verstehen ist.

Licht ist also, je nach dem welches Phänomen du beschreiben willst, entweder ein Strahl, eine Welle oder gar ein Teilchen. Dies versteht man unter dem Welle-Teilchen-Dualismus.

Wellenoptik und Quantenphysik

Mit Einsteins Lichtquantenhypothese ist der Schritt von der klassischen Optik zur Quantenmechanik gemacht. Bei bestimmten Experimenten tritt Licht also als Teilchen in Erscheinung. Als solches kannst du dem Teilchen eine Masse und einen Impuls zuweisen. Licht schafft es also, Strom zu erzeugen, indem es ein Elektron anstößt und seinen Impuls überträgt. Wenn du dich nun fragst, ob das auch umgekehrt geht, stellst du dir genau die gleiche Frage, die sich auch Physiker stellten.

Wenn man einer Welle wie Licht eine Masse und einen Impuls zuordnen kann, kann man dann auch einem Teilchen wie einem Elektron eine Wellenlänge zuordnen? Louis de Broglie war es, der diese Frage mit ja beantwortete. Er führte den Begriff der Materiewellen ein.

Wellenfunktionen.jpg

Alle Phänomene, die du in der vorherigen Lektion beim Licht kennen gelernt hast, können genauso auch bei Teilchen auftreten: Das Doppelspaltexperiment beispielsweise funktioniert auch mit Elektronen. Und es ist auch gar nicht schlimm, wenn du das nicht alles versteht. Die Quantenmechanik ist verwirrend, schließlich besagt sie, dass sowohl Licht als auch Materie nicht das ist, was du dir darunter vorstellst. Licht und Materie ist gleichzeitig sowohl Welle als auch Teilchen. Licht und Materie ist aber auch weder noch. Darum soll es im Thema Wellenoptik und Quantenphysik gehen.