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Lichtquanten 09:33 min

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Transkript Lichtquanten

Hallo und herzlich willkommen bei einem Video von Doktor Psi. Wir beschäftigen uns heute mit Licht. Licht hat ganz merkwürdige Eigenschaften. Einmal können wir es als Welle betrachten und ein anderes Mal als aus Teilchen bestehend. Was es damit auf sich hat, das wollen wir in der Folge ein wenig näher beleuchten. Du kennst sicher noch die Phänomene Beugung und Interferenz von Wellen. Hier ist die Beugung von Wellen dargestellt. Die Wellen können gewissermaßen um die Ecke gehen. Die Erklärung dafür liefert das Huygenssche Prinzip. Und das lautet etwa: Jeder von einer Welle getroffene Punkt ist Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle. Und das bedeutet für die Beugung, die Wellen dringen von der getroffenen Kante eines Hindernisses aus in den Raum dahinter. Das zweite Bild zeigt die Interferenz von Wellen. Hier treffen also Wellen aufeinander und überlagern sich. Dabei kommt es zu sogenannter destruktiver und konstruktiver Interferenz, beziehungsweise Überlagerung. Das heißt, die Amplituden werden ausgelöscht, beziehungsweise verstärkt. Kurz zusammengefasst lässt sich sagen, dass alle Eigenschaften mechanischer Wellen, Schallwellen und elektromagnetischer Wellen mit Hilfe dieses hier skizzierten Wellenmodells beschrieben werden können. Das Wellenmodell hat aber Grenzen und zwar dann, wenn das Licht mit fester Materie in Wechselwirkung tritt. Und was da passiert, das wollen wir uns in der nächsten Szene ansehen. Schauen wir uns einmal folgendes Experiment an. Es wird ein Blatt Fotopapier zum Herstellen eines Schwarz-Weiß-Bildes an einer Stelle mit rotem und an einer anderen Stelle mit blauem Licht bestrahlt. Betrachten wird das Fotopapier nach dem Entwickeln, so stellen wir fest, dass nur die von blauem Licht bestrahlte Fläche zur Schwärzung des Papiers geführt hat. Offenbar hat das rote Licht keine chemische Reaktion ausgelöscht. Es wäre nun möglich, dass die Intensität des roten Lichts nicht ausgereicht hat. Wiederholt man den Versuch mit rotem Licht höherer Intensität, so ändert sich an dem Versuchsergebnis nichts. Nun, wie kommt das? Die Lichtintensität hat etwas mit der Amplitude der elektromagnetischen Lichtwelle zu tun. Sie hat also keinen Einfluss auf das Ergebnis unseres Experimentes. Nun zur Lichtfarbe. Die Energie von blauem Licht reicht offenbar zur chemischen Reaktion aus. Die von rotem Licht nun nicht. Damit stellen wir fest, dass nicht die Amplitude des Lichts, sondern seine Wellenlänge, beziehungsweise Frequenz, oder Farbe, einen Einfluss hat. Untersuchen wir nun den Zusammenhang zwischen Energie und Wellenlänge, beziehungsweise Frequenz in einem weiteren Experiment. Hier in diesem Experiment sehen wir, wie eine Fotozelle mit Licht bestrahlt wird, das durch die Ringelektrode auf die Caesiumschicht fällt. Und das Strommessgerät zeigt einen Stromfluss an. Es müssen also Elektronen das Metall verlassen haben und zur Ringelektrode hinwandern. Sie besitzen also eine gewisse kinetische Energie, die sie nur vom Licht erhalten haben können. Denn ohne Licht kein Strom. Nun ändern wir die Versuchsanordnung etwas. Du siehst das hier in dem nächsten Bild. Die Fotozelle wird mit Licht unterschiedlicher Farbe, also unterschiedlicher Frequenz beziehungsweise Wellenlänge, bestrahlt. Und der Fotostrom lädt nun einen Kondensator auf. Die am Kondensator anliegende Spannung wird in einem Diagramm aufgezeichnet und das siehst du hier in dieser Abbildung. U ist über die Zeit aufgetragen. Du siehst, dass die Spannung U gegen einen Grenzwert jeweils läuft. Und dieser Grenzwert ist für violettes Licht höher als für grünes Licht. Das grüne Licht überträgt auf ein Elektron weniger Licht, beziehungsweise Licht geringerer Energie, als das violette. Übrigens siehst du hier auch die Wellenlängen und die Frequenzen. Die sind hier auch eingetragen, damit wir das besser unterscheiden können. Ohne auf nähere Einzelheiten einzugehen, können wir nun sagen, dass die übertragene Energie E proportional ist zur Frequenz. Und dieser Zusammenhang ist dir sicherlich auch bekannt. Es gibt durch mathematische Umformung eine Proportionalitätskonstante. Und diese Proportionalitätskonstante ist das Plancksche Wirkungsquantum H, dessen Tabellenwert mit 6,6 * 10-34 Js angegeben wird. Es folgt damit also die wichtige Gleichung E = H * F. Unsere Schlussfolgerung muss also sein, dass das Licht seine Energie nicht wie eine Welle überträgt, also nicht in beliebig kleinen Portionen übertragen werden kann, sondern es muss eine kleinste Portion für die Lichtenergie geben. Und diese Portionen heißen Lichtquanten, oder Photonen. Damit ist dann Licht in diesem Teilchenmodell ein Strom kleinster Teilchen, eben von Photonen. Tja, was ist denn nun das richtige Modell? Oben haben wir gesagt Welle und jetzt haben wir gesagt Teilchen. Nun, darüber wollen wir uns in der nächsten Szene unterhalten. Licht als Welle mit Brechung und Interferenz und damit Ausbreitung im Raum und andererseits Teilchen aus Teilchen bestehend mit Anwesenheit auf einem ganz bestimmten, oder an einem ganz bestimmten Ort, mit der gesamten Energie und der gesamten Ladung. Ja, hier müssen wir wohl unsere klassische Vorstellung, oder Sichtweise, aufgeben. Schließlich handelt es sich bei den gerade beschriebenen Teilchen, den Photonen, um Objekte der Quantenphysik. Also um Quantenobjekte und für diese gelten halt andere Regeln als zum Beispiel für Legosteine. Und damit ist die oben angegebene Frage gar nicht so zu beantworten. Man kann vereinfachend etwa sagen, dass das Experiment entscheidet, ob das Licht im Wellenmodell, oder im Teilchenmodell erfolgreich zu beschreiben ist. Wir reden daher von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Mit anderen Worten: Quantenobjekt und Messapparatur beschreiben zusammen die Eigenschaft eines Quantenphänomens. Ja, das soll es eigentlich für Heute gewesen sein. (Zusammenfassung) Wir haben uns mit Quantenobjekten befasst, mit Lichtquanten, beziehungsweise Photonen. Dabei haben wir ein merkwürdiges Phänomen behandelt, nämlich das Nebeneinanderbestehen von Wellen- und Teilchenmodell. Man spricht auch hier von Welle-Teilchen-Dualismus. Und wir haben eben versucht, es zu erklären. Ja, das wäre es für Heute. Vielleicht sehen wir uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi. Tschüss.

2 Kommentare
  1. Default

    super!

    Von Deleted User 601876, vor 10 Monaten
  2. Default

    als Mutter muss ich sagen ich versteh kein Wort warum soviele Fremdwörer wer soll sowas verstehen?????????

    Von Lauralein, vor etwa 3 Jahren