1. Licht und Strahlung
Photonen (2/4)
Wie sind die Signale zu deuten, die wir in unserem Experiment beobachten? Die vom Zähler registrierten und auf dem Bildschirm des Oszilloskops dargestellten Pulse lassen vermuten, dass Licht vom Empfänger nicht als eine kontinuierliche Welle “gesehen” wird. Vielmehr scheinen es Einzelereignisse zu sein, wie es bei Teilchen der Fall wäre, die in unregelmäßen Abständen eintreffen!
Jeder Puls auf dem Schirm des Oszilloskops geht auf ein Elektron zurück, das von einem Photonen aus der Metalloberfläche des Empfängers ausgelöst wurde. Solche Elektronen werden als Fotoelektronen bezeichnet. Sie werden im Empfänger verstärkt und dann als Pulse registriert. Da Elektronen negativ geladen sind, zeigen sie sich als negative Pulse auf dem Schirm des Oszilloskops. Dies ist der Fotoeffekt. Im Jahr 1905 hat Albert Einstein den Fotoeffekt gedeutet.
Einstein hatte kein Oszilloskop zur Verfügung. Dies wurden erst etwa 50 Jahre später erfunden! Ein ohne Oszilloskop in der Schule durchführbares Experiment finden Sie hier beschrieben.
Die Hypothese, Licht besitzt diskrete und somit quantisierte Eigenschaften, wurde erstmals von dem Physiker Max Planck im Jahr 1900 ausgesprochen. Mit der Quantisierung des Lichts konnte er die Helligkeit und die Form des Spektrums schwarzer Körper erklären.
Die Photoneneigenschaften des Lichts zeigen sich
- bei der Strahlung schwarzer Körper
- bei der Absorption und Emission von Spektrallinien durch Atome und Moleküle.
So ändert sich das Spektrum des Sonnenlichts auf dem Weg durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche durch Absorption an Bestandteilen der Luft. Beispielsweise wird UV-Strahlung durch die Absorption des Ozons verringert, was andernfalls für uns sehr schädlich wäre. Solche Effekte werden in Kapitel 2 diskutiert.
Sieht man sich die Erde nicht aus dem Weltraum an, sondern richtet von der Erde aus ein Teleskop in den Himmel, so können gelegentlich schnell wandernde Objekte beobachtet werden: Kometen. In Sonnennähe sind Kometen wegen der starken Strahlung der Sonne mechanisch instabil und verlieren deshalb Staub und Moleküle. Dieses verlorene Material wird als heller Kometenschweif sichtbar.
Manchmal zeigt sich ein doppelter Schweif: der blaue Schweif besteht aus Molekülen, der weiße Schweif aus größeren Staubteilchen. Auch in unserer Atmosphäre streuen die Luftmoleküle blau, die größeren Wassertropfen der Wolken weiß. Der Komet im Bild oben zeigt beide Schweife sehr deutlich. Ihre unterschiedliche Orientierung wird oft mit dem Photonenmodell erklärt: die Photonen des Sonnenlichts drängen mit ihren Stößen die Moleküle von der Sonne weg, was ihnen mit den weitaus größeren und massereicheren Staubteilchen nicht gelingt! Allerdings hatte Maxwell schon 1873 gezeigt, dass auch elektromagnetische Wellen solche Kräfte ausüben.
In der Ergänzung 1.6 und in einem Arbeitsblatt werden diese Schweife weiter untersucht.
