Lichtquanten

Lichtquanten Übung

• 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.