Quanten 1Korpuskulare Lichttheorie, Wellentheorie, Photoeffekt,

Comptoneffekt, Anwendungen

Korpuskulare Lichttheorie –

Wellentheorie des Lichtes

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Francesco Grimaldi (1618 - 1663)

• Beim Versuch mit Licht an einem Spalt beobachtete er das Phänomen der Beugung.

• Grimaldi prägte den Begriff Beugung/Diffraktion.

• Seine Arbeiten bildeten die Basis für weitere Experimente ©http://de.wikipedia.org/wiki/

Francesco_Maria_Grimaldi

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Grimaldis Experiment

Sonnenlicht fällt durch ein kleines Loch in derVerdunkelung eines Fensters

Man kann den entstehenden Lichtkegel auf einemBlatt Papier beobachten

Undurchsichtigen Korper in Lichtkegel platzieren

Schatten hat farbige Ränder (Diffraktion)

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Sir Isaac Newton (1643 – 1727)

• Axiome zur Mechanik • Formulierung des

Gravitationsgesetzes

großer Einfluss auf die wissenschaftliche Welt seiner Zeit

• Korpuskulartheorie © http://de.wikipedia.org/wiki/Sir_Isaac_Newton

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Newtons ExperimentVersuche am Prisma

© http://farbe.wisotop.de/vomLichtZumFarbkreis.shtml

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Newtons Erklärung zur Brechung des Lichtes

• cWasser > cLuft

©http://macsclassroom53.wordpress.com/

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Christiaan Huygens (1629 - 1695)

• Entwickelte die erste Wellentheorie des Lichts

Huygensches Prinzip: Jeder Punkt einer Wellenfrontist Ausgangspunkt einer neuen Welle, der so genannten Elementarwelle.

• Wellentheorie lässt zwangloseDeutung von Brechung zu

© http://de.wikipedia.org/wiki/Christiaan_Huygens

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Huygens Erklärung zur Brechung des Lichtes

• cLuft > cWasser

©http://macsclassroom53.wordpress.com/

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Thomas Young (1773 – 1829)

• Experimente zur Interferenz von Licht (1802)

"But if the elevations of one series are so situated as to correspond to the depressions of the other, they must exactly fill up those depressions, and the surface of the water must remain smooth. . . Now, I maintain that similar effects take place whenevertwo portions of light are thus mixed; and this I call the general law of the interference of light."

© http://de.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young_%28Physiker%29

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Youngs Experiment Doppelspaltexperiment (stark vereinfachteDarstellung):

• Sonnenlicht fällt durch ein kleines Loch in der Verdunkelung eines Fensters

• Lichtkegel trifft auf zwei enge, parallel

ausgerichtete Spalte (Doppelspalt)

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Youngs Experiment

• Intensitätsverteilung des Lichtes

• Licht Welle

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Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868)

• Lichtgeschwindigkeit ist im optisch dichteren Medium kleiner, als im optisch dünneren Medium

• cLuft: 298 000 km s-1

• cWasser: 225 000 km s-1

• cGlas: 200 000 km s-1

• Licht Welle© http://de.wikipedia.org/wiki/Jean_Bernard_L%C3%A9on_Foucault

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Comptoneffekt

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Facts• 1923 Versuch von

Arthur Compton• Streuversuche mit

hochenergetischen Rontgenstrahlen an Kohlenstoffpräparaten

• Nobelpreis 1927• Untermauerte den

Teilchencharakter elektromagnetischer Strahlen

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Versuchsaufbau

Rontgenstrahlen werden an einem Kohlenstoffblock gestreut und bei verschiedenen Winkeln beobachtet

Rontgenstrahlung: hochfrequente Form elektromagnetischer Strahlungkleine Wellenlänge λ=7,11*10-11 m bei hoher Energie E=17,4*103 eV

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Ergebnisse

Bei verschiedenen Streuwinkeln, gibt es immer großer werdende Wellenlängenunterschiede Abstand der 2 Intensitätsmaxima

Je großer der Streuwinkel, desto großer der Wert der Compton-Verschiebung.

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Veranschaulichung

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Energieerhaltung

kin. Energie des Elektrons (relativistisch)

Frequenz:

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Impulserhaltung

Photonenimpuls: der Impuls des gestreuten Elektrons:

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entlang x-Achse

entlang y-Achse

Compton-Verschiebung in Abhängigkeit des Streuwinkels

λC = Compton-Wellenlänge

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• Der Wellenlängenunterschied ∆λ= λ‘- λ hängt nicht von der Wellenlänge des Rontgenphotons ab, sondern nur von dem Streuwinkel

• Bei gleichem Winkel ist der Wellenlängenunterschied ∆λ nicht vom Material des Streukorpers abhängig

• Je großer der Streuwinkeldesto hoher ist die Intensität mit Wellenlänge

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Woher kommt dann das erste Maximum?

Der Photoelektrische Effekt

(Photoeffekt, Fotoeffekt, Lichtelektrischer Effekt)

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Entdeckung des Photoeffekts:• 1839 von Alexandre Becquerel beobachtet

• um 1888 von Wilhelm Hallwachs und Friedrich Hertz untersucht

• um 1900: P.E.A. Lenard – Geschwindigkeit der ausgelosten Elektronen unabhängig von der LichtintensitätIntensität beeinflusst nur Anzahl der ausgelosten Elektronen

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Aufbau des Experiments:

• Licht beleuchtet Kathode Photostrom Iphot

• Anlegen einer Spannung Gegenpotential• Gegenpotential groß genug Iphot = 0

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me vmax2 e U0

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Experimentelle Beobachtungen:

• Geschw. der e- unabh. von Intensität, nur Abhängigkeit von der Frequenz

• Materialabhängige Grenzfrequenz νk νLicht < νk: kein Photoeffekt

• Zahl der ausgelosten e- abh. von Intensität• Effekt setzt ohne messbare Verzogerung nach

Einschalten ein trägheitslosIm Widerspruch mit Wellentheorie!

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Erklärung des Photoeffekts:• Planck‘sches Postulat von der

Energiequantisierung der schwarzen Strahlung

• Ausbreitung von Strahlung nicht kontinuierlich, sondern in endlichen Energieportionen – Energiequanten

• Idee aufgegriffen von Einstein Quantentheorie des Lichts – Photonen (Lichtquanten)

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Einstein‘s Annahmen:• Monochromatisches Licht der Frequenz ν

besteht aus Photonen mit kinetischer Energie

EPhoton h h c

• Zusammenstoß des Photons mit einem Elektron Elektron nimmt Energie des Photons auf

• Energie groß genug Ablosearbeit WA (materialabh.) überwunden Elektron frei

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Einsteinsche Gleichung:

Ekinmax h WA• Maximale kinetische Energie eines Elektrons =

Energie des absorbierten Photons – Austrittsarbeit

• Negative kinetische Energie macht keinen Sinn Elektron wird im Fall WA > h ν nicht ausgelost Ekin = 0 h νk = WA Grenzfrequenz νk =WA/h

• Geradengleichung (y = k x + d) mit y = Ekin, x = ν, d = - WA

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Millikan:• Versuchte Einstein mit Experimenten zu

widerlegen scheiterte• Bestrahlte viele verschiedene Metalle mit

Licht unterschiedlicher Frequenzen• Ergebnis:

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Millikan:• Man erkennt: Für jedes Metall ergibt sich

Gerade mit Steigung h und Ordinatenabschnitt WA

• Nullstellen dieser Geraden geben die Grenzfrequenz des jeweiligen Metalls an

• Unterhalb der Grenzfrequenz erhält man naturgemäß keine kinetische Energie, kann aber extrapolieren und damit die Austrittarbeit berechnen

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Anwendungen von Photo- und Comptoneffekt

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PhotomultiplierPhoton trifft auf Kathode,Elektronen werden ausgelost

Treffen auf Dynoden,weitere Elektronenlosen sich

messbares elektrischesSignal (proportional zuE=h*f)

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PhotodiodePhotonen treffen auf Halbleiter → Elektronen

losen sich

Photonenstrom entsteht

Anwendungen: optischer Rauchmelder, photoelektrischer Pulsmesser, Lichtschranken, CD-Player, ...

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Compton-TeleskopRontgen-Strahl trifft auf Detektor,Strahl wird abgelenkt und Elektronverschiebt sich in Detektor

abgelenkter Rontgen-Strahltrifft auf anderen Detektorund wird absorbiert

Energie des einfallenden Strahls bestimmbar;ERont=Ekin(e-)+E'Ront