In den vorangegangenen Lerneinheiten (Kapitel 1) haben wir viele Eigenschaften von Wellen¹⁾ kennen gelernt. Gerade auf den letzten Seiten (Das Huygensche Prinzip) wurde deutlich, wie man aus dem Wellenbild "alle" bekannten Phänomene des Lichts auf einfache Weise ableiten kann: Eine Welle breitet sich aus, indem in jedem Raumpunkt neue Wellenzentren angeregt werden. Die dann entstehenden Elementarwellen erzeugen durch ihre gegenseitige Überlagerung (Interferenz) die beobachtete Wellenausbreitung.

Insbesondere die Interferenz am Doppelspalt, bei der sich Wellen verstärken oder auslöschen können, lässt sich durch den Wellencharakter sehr gut beschreiben und verstehen. Genau dieses Experiment²⁾ führte 1801 dazu, dass das Licht als Wellenerscheinung anerkannt wurde.

Film: Interferenz zweier kreisförmiger Wasserwellen
(Größe: 545 KB, Datei: 0205interferenz.mpg, Media Player)

Im Jahre 1887 gelang es dann Heinrich Hertz elektromagnetische Wellen – zu denen das Licht ja auch gehört – zu erzeugen und nachzuweisen. Vorher hatte Maxwell – ab 1855 – die nach ihm benannte Theorie zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entwickelt und damit die Elektrodynamik begründet.

Lichtportionen beim Schwarzen Strahler

Es gab da jedoch noch einige Probleme die mit den Maxwell’schen Gleichungen nicht zu lösen waren, bzw. bei denen entsprechende Experimente zu anderen Ergebnissen führten.

Der erste Fall betraf das Phänomen der Aussendung elektromagnetischer Wellen von einem heißen Körper. Aus der Klassischen Physik war bekannt, dass ein sog. Schwarzer Strahler³⁾ Licht (elektromagnetische Wellen) mit einer bestimmten spektralen Verteilung aussendet. Diese Verteilungsfunktion ließ sich jedoch aus den Gleichungen der Elektrodynamik nicht herleiten, bzw. kam es bei ihrer Anwendung zu unsinnigen Ergebnissen.

Zur Lösung dieses Problems postulierte Max Planck 1900, dass das Licht immer nur als Vielfaches einer Grundportion von den Wänden des Schwarzen Strahlers aufgenommen (absorbiert) und auch wieder abgestrahlt (emittiert) werden kann. Diese Grundmenge an Energie sollte proportional zur Frequenz der Strahlung sein:

Die Proportionalitätskonstante h wurde von Planck eingeführt und erwies sich als eine der fundamentalen Naturkonstanten, dem sog. Planck’schen Wirkungsquantum: h = 6,62606876·10^-34 J·s.

Die physikalische Größe „Wirkung“ hat also die Dimension Energie mal Zeit: [h] = J·s = W·s² = kg·m²/s. Anstelle von h wird häufig auch der Wert h-quer () benutzt:

Das zweite ungelöste Problem hing mit einer Beobachtung zusammen die 1897 von Ph. Lenard gemacht wurde. Bei seinen Experimenten stellte Lenard fest, dass bei der Bestrahlung einer Metallplatte mit Licht die durch den sog. lichtelektrischen Effekt (Fotoeffekt) ausgelösten Elektronen sich nicht so verhielten, wie man es erwarten würde wenn das Licht eine elektromagnetischen Welle ist.

Was es mit diesen Experimenten auf sich hat kann man mit einer sehr einfachen Anordnung nachvollziehen, die rechts in der Abbildung dargestellt ist: Die Zinkplatte ist aufgeladen und mit einem Elektrometer verbunden. Nur wenn Licht ab einer bestimmten Wellenlänge auf den Schirm trifft wird dieser entladen. Eine Glasplatte im Strahlengang – die alles UV-Licht absorbiert – führt dazu, dass die Zinkplatte auch bei noch so hoher Strahlungsintensität nicht entladen wird. Das Experiment können Sie sich auch im folgenden kommentierten Film ansehen (Bitte denken Sie daran, dass man ein Video auch anhalten kann, um sich Details in Ruhe ansehen zu können!):

Film: Versuchsvideo
(Größe: 164 KB, Datei: 0205fotoeffekt.wmv, Media Player)

Die geschilderten und beobachteten Erscheinungen beweisen, dass es nicht auf die Intensität (Leistung/Fläche) der Wellen ankommt - um den Fotoeffekt auszulösen - sondern auf die Frequenz (Farbe) des Lichtes. Bei noch so hoher Intensität, was praktisch einer hohen Wellenamplitude entspricht, werden keine Elektronen aus der Platte ausgelöst. Wenn jedoch Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz (f) auf die Platte trifft, so wird diese entladen. Die Intensität des Lichtes bestimmt dann nur noch, wie schnell diese Entladung stattfindet.

1905 griff Einstein⁴⁾ die von Planck für den Strahlungsaustausch eingeführte Formel (2.1.1-1) auf und postulierte, dass nicht nur der Strahlungsaustausch in diesen Portionen stattfindet, sondern dass auch die elektromagnetischen Wellen selbst immer nur in diesen Energieportionen auftreten. E = h f definiert also das kleinste Energiequantum in dem Strahlung auftreten kann.

Deutung: Wellen verhalten sich bei bestimmten Wechselwirkungen als bestünden sie aus kleinen Energieportionen, wobei die Größe dieser Energieportionen proportional zur Frequenz ist E = h f. Diese Energieportionen nennt man auch Quanten (Energiequantum) oder Photonen.

Nur wenn ein Photon mit genügend hoher Energie auf ein Elektron in der Zinkplatte trifft, kann es dieses herausschlagen und damit die Platte entladen. Man sagt: Die Energie des Photons E muss größer als die Ablösearbeit (Austrittsarbeit: W_a ) der Elektronen auf der Zinkplatte sein: E > W_a

Später konnte Einstein mit dieser Erkenntnis eine einfache Ableitung des in Abb.2.1.1-2 dargestellten Planck’schen Strahlungsgesetzes liefern.

© 2004-2005, Prof. Dr. D. Hannemann, Gelsenkirchen