Lichtquanten

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Die Autor*innen

Wolfgang Tews

Lichtquanten

lernst du in der 11. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Lichtquanten

In diesem Video wird der Welle-Teilchen-Dualismus von Licht besprochen. Zum einen werden Experimente vorgestellt, die mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden und zum anderen solche, bei denen das Wellenmodell versagt und die mit dem Teilchenmodell erfolgreich beschrieben werden. In diesem Zusammenhang werden Lichtquanten bzw. Photonen als kleinste Portionen für Lichtenergie behandelt.

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

2 Kommentare

super!

Von Deleted User 601876, vor mehr als 5 Jahren
als Mutter muss ich sagen ich versteh kein Wort warum soviele Fremdwörer wer soll sowas verstehen?????????

Von Lauralein, vor fast 8 Jahren

Lichtquanten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lichtquanten kannst du es wiederholen und üben.

Gib an, welche Welleneigenschaft in der Abbildung dargestellt ist und beschreibe sie.

Tipps

Wichtige Welleneigenschaften sind Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation.

Für das gezeigte Phänomen ist mehr als eine Welle notwendig.

Welleneigenschaften können bei den unterschiedlichsten Wellenarten beobachtet werden.

Lösung

Neben der Interferenz zeigen Wellen auch andere Eigenschaften (Reflexion, Brechung, Polarisation).
Ebenfalls wichtig sind die Beugungserscheinungen von Wellen. Wellen können in den Schattenraum eines Hindernisses eintreten. Dies wird durch das Huygenssches Prinzip deutlich (siehe Abbildung): Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt für eine neue Elementarwelle. Diese Elementarwellen überlagern sich und erzeugen wieder eine Wellenfront und so weiter. So können Wellen an einem Hindernis quasi um die Ecke gehen.
Diese Eigenschaften von Wellen und das Wellenmodell allgemein haben bei der Betrachtung von Licht ihre Grenzen: Tritt Licht in Wechselwirkung mit Materie, so gelten andere Gesetzmäßigkeiten.
Gib an, wie der Versuch zur Schwärzung von Fotopapier mit farbigem Licht durchgeführt wird.

Tipps

Welches Bild zeigt das Versuchsergebnis?

Wie wird der Versuch vorbereitet?

Was passiert während der Versuchsdurchführung?

Lösung

Der Versuch wird folgendermaßen durchgeführt:
(1) Auf einem Fotopapier werden zwei Bereiche markiert: Ein Bereich soll nur mit blauem, der andere Bereich nur mit rotem Licht bestrahlt werden. Dort werden entsprechende Farbfilter platziert.
(2) Anschließend wird das Fotopapier entsprechend der Vorgaben beleuchtet.
(3) Die Teile des Fotopapiers außerhalb der bedeckten Bereiche färben sich durch die chemische Reaktion sofort sichtbar schwarz.
(4) Entfernt man anschließend auch die farbigen Abdeckungen, so erkennt man: Nur dort, wo das Fotopapier mit blauem Licht bestrahlt wurde, kann am Ende des Versuchs eine Schwärzung des Fotopapiers beobachtet werden. Rotes Licht hat zu keiner Verfärbung geführt.
Dieses Versuchsergebnis kann nicht mehr mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden: Bei hohen Intensitäten müsste danach unabhängig von der Lichtfarbe irgendwann genug Energie vorhanden sein, um die chemische Reaktion auf dem Fotopapier auszulösen. Die Lichtintensität, also die Amplitude der Wellen, spielt hier jedoch keine Rolle mehr. Lediglich die Lichtfarbe, also die Wellenlänge des Lichts, beeinflusst das Ergebnis. Solche Beobachtungen haben die Physiker dazu veranlasst, Lichtfarben und ihre Wechselwirkung mit Materie genauer zu untersuchen.
Berechne die Energien von Lichtquanten verschiedener Frequenzen.

Tipps

Die zugehörigen Farben zu den Wellenlängen kannst du der Abbildung entnehmen.

Den berechneten Wert für die Energie musst du noch durch den angegebenen Wert für eV teilen, um die gewünschte Energieeinheit zu erzielen.

Lösung

Im Versuch mit der Fotozelle zeigt sich, dass Licht Energie nicht kontinuierlich in beliebig kleinen Portionen abgibt wie eine Welle. Licht überträgt Energie in festen Portionen. Man spricht daher von Photonen, um diese Teilcheneigenschaft zu betonen.
Im Spektrum des sichtbaren Lichtes besitzt Blau von den genannten Farben die kleinste Wellenlänge und Rot die größte. Mit den Frequenzen verhält es sich genau umgekehrt.
Die Energie von Photonen einer bestimmten Wellenlänge ermittelt man beispielsweise für rotes Licht wie folgt:
$E=h\cdot f=6,6\cdot 10^{-34}~J\cdot 460\cdot 10^{12}~Hz=3,04\cdot 10^{-19}~J=\frac {3,04\cdot 10^{-19}~J} {1,6\cdot 10^{-19}~J}~eV=1,9~eV$.
Die Umrechnung in Elektronenvolt macht die angegebene Energie des Photons übersichtlicher. Die Berechnungen für die anderen Frequenzen erfolgen nach dem gleichen Prinzip.
Jeder Wellenlänge beziehungsweise Frequenz eines Photons kann somit ein konkreter Energiewert zugeordnet werden. Blaues, also höherfrequentes, Licht ist energiereicher als rotes, niederfrequenteres Licht.
Beurteile die folgenden Aussagen zu Quantenobjekten wie Photonen.

Tipps

Ist Licht eine elektromagnetische Welle oder ein Teilchen oder etwas anderes?

Lösung

Quantenobjekte lassen sich nicht mehr mit Hilfe der klassischen Physik beschreiben. Sie sind so klein, dass die klassischen Vorstellungen nicht mehr gelten. Führt man Experimente mit Quantenobjekten durch, so kann man diese manchmal mit Hilfe des klassischen Wellenmodells, manchmal aber auch mit Hilfe des klassischen Teilchenmodells erklären. Darum spricht man von Welle-Teilchen-Dualismus.
Für die Beschreibung von Quantenobjekten ist daher die Quantenmechanik eingeführt worden. Zu den Begründern dieser neuen Physik gehört beispielsweise Erwin Schrödinger (siehe Abbildung oben). Quantenobjekte werden durch Materiewellen beschrieben und besitzen Eigenschaften, die in der makroskopischen Welt nicht vorstellbar sind. Dazu gehört auch die Idee, dass schon durch Messprozesse selbst die Zustände von Quantenobjekten verändert werden. Denn ein Objekt in Photonengröße wird ja bei der Beobachtung mittels Photonen schon beeinflusst. Vielleicht kennst du ja auch schon die bemitleidenswerte Katze von Schrödinger?
Gib an, wie man das beschriebene Phänomen bezeichnet.

Tipps

Welche beiden Eigenschaften hat das Licht in den verschiedenen Versuchen gezeigt?

Lösung

Der Welle-Teilchen-Dualismus scheint von der klassischen Physik aus betrachtet ein Widerspruch zu sein. Doch dieser scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man Quantenobjekte nicht mehr mit den Methoden der klassischen Physik beschreibt, sondern sie als neue Form von Objekten mit ganz eigenen charakteristischen Eigenschaften betrachtet.
In der Quantenmechanik werden Quantenobjekte mit Materiewellen beschrieben und es werden ihnen bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten zugeordnet. Da Quantenobjekte sehr klein sind, gewinnt der Messprozess eine ganz neue Bedeutung. Jede Messung an Quantenobjekten beeinflusst deren Zustand und jedes Messergebnis tritt dabei lediglich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf.
Entscheide, ob durch die Erkenntnisse der Quantenphysik die Gesetze der klassischen Physik ungültig sind.

Tipps

Bringen die neuen Erkenntnisse die gesamte Physik ins Wanken oder erweitern sie diese?

Lösung

Die Erkenntnisse und Theorien der klassischen Physik bleiben weiterhin gültig. Sie sind jedoch nur auf größere, makroskopische Objekte anwendbar. Für Quantenobjekte gelten sie offenbar nicht: Der scheinbare Widerspruch beim Welle-Teilchen-Dualismus löst sich auf, wenn man Quantenobjekte nicht mehr mit den Methoden der klassischen Physik beschreibt, sondern sie als neue Form von Objekten mit ganz eigenen charakteristischen Eigenschaften betrachtet.
Für die Quantenobjekte wurde ein neues Forschungsgebiet in der Physik eingeführt: In der Quantenmechanik werden Quantenobjekte mit Materiewellen beschrieben und es werden ihnen bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten zugeordnet. Da Quantenobjekte sehr klein sind, gewinnt der Messprozess eine ganz neue Bedeutung. Jede Messung an Quantenobjekten beeinflusst deren Zustand und jedes Messergebnis tritt dabei lediglich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf.