Licht in der Quantenphysik

Die Optik gilt allgemein als die Lehre vom Licht, dabei lässt sie aber die Frage nach der Ursache von Licht außen vor. In der Quantenphysik versuchte man diese und noch weitere Fragen zu klären. Denn ein weiteres Problem stellte die Frage nach dem Energiegehalt des Lichts und von was er abhängt, dar.

Um diese Fragen klären zu können, musste man sich mit dem äußeren lichtelektrichen Effekt, Photoeffekt, näher beschäftigen. Man hat herausgefunden, dass sich bei der Bestrahlung von metallisch beschichteten Platten, die vorher elektrich neutral waren, Elektronen herauslösen. Mit einem geeigneten Versuchsaufbau hat man nun Licht mit unterschiedlicher Intensität und Frequenz untersucht und stellte dabei fest, das der Energiegehalt der Elektronen und dem entsprechend auch des Lichts, von der Frequenz abhängt und nicht von der Intensität.

Man hatte die Versuchsergebnisse in einem Diagramm, welches die kinetische Energie der Elektronen in Abhängigkeit von der Frequenz des benutzten Lichts darstellt, zusammen- gefasst und erkannten einen linear proportionalen Zusammenhang. Diese Funktion wird auch die Einsteinsche Gerade genannt. Ihr Schnittpunkt mit der Abszissenachse ist die Grenzfrequenz, bei der zwar Elektronen aus der Platte herausgelöst werden aber keine kinetische Energie erfahren. Bei größeren Frequenzen bewegen sich die Elektronen zusätzlich zur angelegten Elektrode. Das Licht, das unterhalb der Grenzfrequenz liegt hat nicht die nötige Energie, um der Bindungsenergie der Elektronen entgegen zu wirken und sie aus der Atomhülle zu lösen. Bei der Verwendung von anderen Metallen ändert sich der Anstieg des Graphen der Funktion nicht, der Graph wird nur nach links oder rechts auf der Abszissenachse verschoben. Der Anstieg hat demnach einen konstanten Wert von 6.626*10^-34Js und wird als Planksches Wirkungsquantum bezeichnet ([h]=Js). Mit all diesen Erkenntnissen konnte man nun eine Gleichung für den Energiegehalt des Lichts herleiten. Sie lautet einfach E=h*f , wobei h das Planksche Wirkungsquantum und f die Frequenz des benutzten Lichts ist. Damit hatte man bewiesen das Licht noch weitere Eigenschaften als die von Wellen besitzt, denn offensichtlich wechselwirkt es mit anderen Teilchen, in dem Fall Elektronen. Und nun kam Albert Einstein ins Spiel, er ging noch einen Schritt weiter und schrieb dem Licht Teilcheneigenschaften zu: "Licht besteht aus einzelnen nicht weiter zerlegbaren Energieportionen, den Lichtquanten, Photonen. Jedes Photon besitzt die Energie h*f." Es wird angenommen, das ein Photon nur mit einem wanderungsfähigen Elektron wechselwirkt, dabei seine gesamte Energie abgibt und aufhört zu existieren.

Wobei man das mit dem Teilchen nicht zu kleinlich nehmen darf, denn Photonen sind weder auf Bahnen fliegende Teilchen, noch Wellen mit kontinuierlicher Energieverteilung, es sind Energieportionen einer Welle mit Eigenschaften von Teilchen.In der Physik bezeichnet man allgemein ein Sachverhalt als Teilchen, wenn es eine Masse und einen Impuls besitzt; und das trifft auf das Photon zu. Es besitzt die Masse E/c² , sobald allerdings die Geschwindigkeit 0 beträgt, hat das Photon keine Masse.
Als Schüler der 11. oder 12. Klasse ist man jetzt vielleicht vor das Problem gestellt: Wann verwende ich das Teilchen- und wann das Wellenmodell? Diese Frage ist leicht zu beantworten: Handelt es sich bei einem gestellten Problem, um die Ausbreitung von Licht im Raum, benutzt man das Wellenmodell. Geht es dagegen um Wechselwirkung mit anderer Materie, muss man nun das Teilchenmodell verwenden.