Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten

Fotoeffekt und Lichtquanten Hallo und herzlich willkommen! Ich gebe hier eine kurze Einführung in die experimentell entdeckten Probleme, die Anfang des 20. Jahrhunderts zur Entstehung der Quantenphysik führten. Du solltest die Konzepte physikalischer Arbeit und Energie kennen, das elektrische Feld eines Plattenkondensators, das Verhalten geladener Teilchen im elektrischen Feld und mit den grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen vertraut sein. Als Heinrich Hertz 1886 das Verhalten geladener Körper untersuchte, experimentierte er auch mit Beleuchtung und stellte fest, dass er mit Licht geladene Elektroden entladen konnte. Sein Schüler Wilhelm Hallwachs untersuchte das Phänomen genauer, indem er 2 Elektroden im Vakuum verwendete, zwischen denen er eine Spannung anlegte. Wenn er den negativen Pol der Anordnung mit Licht bestrahlte, ließ sich ein Stromfluss nachweisen. Spätere Versuche ergaben, dass sogar ohne äußere Spannung ein kleiner Strom floss, sobald man eine der Elektroden beleuchtete. Nachdem 1897 die Überzeugung gereift war, dass Träger des Stromflusses Elektronen seien, lag es nahe zu vermuten, dass das Licht aus der Elektrode Elektronen freisetzte, die als Strom fließen konnten. Weil der Strom umso stärker floss, je stärker das Licht war, ergab sich als einfache Erklärung, dass das Licht Energie auf die Atome der Elektrode übertragen müsste, diese dadurch in Schwingung versetzte, bis sich Elektronen lösen und herausfliegen konnten. Das schien sehr gut zum Wellenmodell des Lichts zu passen, denn damit ließ sich ja die Anregung von Schwingungen gut verstehen. Aber etwas blieb vollkommen unverständlich. Man musste nämlich feststellen, dass nur Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz den Stromfluss ermöglichte. Außerdem ergaben die Experimente, dass die Bewegungsenergie der freigesetzten Elektronen gar nicht von der Lichtstärke abhing. Sie war außerdem auch viel zu hoch, sodass sie nicht mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden konnte. Stattdessen war diese Energie von der Frequenz des Lichtes abhängig. Deshalb musste also der Fotoeffekt, oder auch äußerer lichtelektrischer Effekt genannt, den ich hier noch einmal kurz rekonstruiert habe, mit einer neuen Theorie erklärt werden. Max Planck hatte im Jahr 1900 bei der Erforschung von Strahlungsemission eine Revolution der Physik in Gang gesetzt, weil er entdeckte, dass die Energie schwingender Teilchen nicht jeden beliebigen Wert, sondern nur stufenweise verschiedene Werte annehmen konnte, und dass die Größe dieser Stufen der Frequenz der Schwingung direkt proportional war. Als Proportionalitätsfaktor bestimmte er eine Konstante h, die später das Plancksche Wirkungsquantum genannt wurde. Sie beträgt etwa 6×10^-34 Js (Joulesekunden). Man bezeichnet seitdem die Energie als gequantelt, also so viel wie portioniert. Albert Einstein war es, der 5 Jahre später 1905 die Erklärung dafür fand, warum die Energie der beim Fotoeffekt freigesetzten Elektronen von der Frequenz des Lichtes abhing. Er kannte natürlich Plancks Formel und war so kühn, sie anzuwenden, was allerdings dazu führte, dass man sich das Licht nun ebenfalls portioniert oder gequantelt denken sollte. Alle nachfolgenden Experimente bewiesen aber, dass diese Vermutung richtig war. Und Einstein erhielt 16 Jahre später den Nobelpreis für diese Arbeit. 1923 wurden diese Lichtquanten dann Photonen getauft, und so heißen sie noch heute, in Analogie zu Bezeichnungen wie Elektronen oder Neutronen oder Protonen. Mit der Quantenhypothese wurde plötzlich erklärbar, warum die Freisetzung der Elektronen von der Frequenz des Lichtes abhing. Klar war ja, dass eine Mindestenergie aufgewandt werden musste, um die Elektronen aus dem Atomverband herauszuschießen. Denn dafür musste eine sogenannte Ablösearbeit geleistet werden. Bei verschiedenen Materialien bedarf es wegen der Besonderheiten der Elektronenkonfigurationen verschiedener Maße an Ablösearbeit. Und genau hier fügte sich Plancks geniale Idee ein. Wenn die Energie eines Lichtquants zu niedrig lag, konnte das Elektron nicht herausgeschossen werden. Erst, wenn das Produkt von Wirkungsquantum und Frequenz größer war als das Maß der Ablösearbeit am Atomverband, konnte ein Elektron durch ein Photon freigesetzt werden. Einstein war von Anfang an klar, dass ein Elektron nur von genau einem Photon freigesetzt werden konnte. Mit einem Treffer oder gar nicht war hier die Devise. Der Teil der Photonenenergie, der beim Ablösen nicht umgesetzt wurde, wurde in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt. Damit war auch erklärt, warum die Energie der freigesetzten Elektronen mit der Frequenz anstieg. Je höher die Frequenz der Lichtstrahlung, desto energiereicher die Photonen, und desto mehr Energie blieb nach der Ablösung aus dem Atomverband übrig, um als kinetische Energie des Elektrons zu erscheinen. Mit dieser Theorie wurde die Quantenphysik begründet. Was hier von Anfang an nicht leicht zu verstehen war, ist es auch heute noch nicht. Weil Licht Erscheinungen von Beugung und Interferenz aufweist, muss es ja Wellencharakter haben. Aber für die detaillierte Erklärung des Fotoeffekts muss es in Portionen ausgestrahlt werden, in Quanten. Wellen sind doch aber kontinuierlich. Und nun sollten beide Aspekte sogar eindeutig miteinander verknüpft sein. Die Frequenz der kontinuierlichen Welle bestimmt die diskontinuierliche Energieportion der Strahlung, die so wie Teilchen erscheint. Schon in der Relativitätstheorie fällt es uns schwer, die elementaren Konzepte noch in Analogie zu unserer Erfahrung verstehen zu können. Hier bei der Quantenphysik hört es nun völlig auf. Der amerikanische Physiker Richard Feynman, der in den 60er Jahren populäre Vorlesungen hielt, sagte seinem Publikum einmal: "Ich werde die Quantenphänomene nicht in Begriffen einer Analogie mit etwas Vertrautem beschreiben. Ich werde sie einfach beschreiben. Fragen Sie nicht dauernd: Aber wie ist das denn möglich? Denn das führt in eine Sackgasse, aus der noch keiner wieder herausgekommen ist. Niemand weiß, wieso es so sein kann, wie es ist." Er ermutigt uns damit zu einer Haltung, den mathematischen Modellen zu trauen, solange sie mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, selbst wenn wir keine irgendwie vertraute Vorstellung mit ihnen verbinden können. Fassen wir noch einmal kurz zusammen: Man kann sagen, dass die Erklärung des Fotoeffekts mit dem Wellenmodell des Lichtes nicht möglich war. Denn die Energie, die man an den freigesetzten Elektronen gemessen hatte, war viel zu hoch, um aus der angeregten Schwingung zu stammen. Außerdem war unerklärlich, warum unterhalb einer gewissen Lichtfrequenz gleich gar kein Effekt auftrat. Die Übertragung der Quantenhypothese, die Max Planck für die Emission von Wärmestrahlung postuliert hatte, nun auf die Ausbreitung des Lichts brachte hier den Durchbruch. Licht besteht nach ihr aus Strahlungsquanten, den Photonen, deren Energie von der Frequenz des Lichtes abhängt. Ein Elektron kann nur dann aus dem Atomverband herausgeschlagen werden, wenn es von genau einem Photon getroffen wird, das mehr Energie hat, als zur Ablösung aus dem Verband nötig ist. Die darüber hinaus verfügbare Photonenenergie wird in Bewegungsenergie des freigesetzten Elektrons umgewandelt. Ich hoffe, ich konnte dich ein bisschen neugierig machen auf die Feinheiten der Quantenphysik. Bis zum nächsten Video!