Untertitel: Und dann kam Einstein…
Die Frage nach dem Wesen des Lichts könnte man auch so stellen: Ist Licht kontinuierlich (hat es Welleneigenschaften) oder „körnig„ (hat es Teilcheneigenschaften)? Beginnend mit Youngs Doppelspaltexperiment setzte sich im 19. Jahrhundert nach und nach wieder die erste Ansicht durch. Als dann auch noch um 1860 James Clerk Maxwell zeigen konnte, dass Licht zur Familie der elektromagnetischen Wellen gehört, schien die Sache endgültig geritzt zu sein: Licht ist eine Welle!
Dann kam aber das Jahr 1905. In diesem veröffentlichte Albert Einstein neben seiner speziellen Relativitätstheorie auch eine Arbeit, in der er ein gewichtiges Argument für die Teilchentheorie des Lichts lieferte. Er war damit in der Lage, den seltsamen Photoeffekt erklären zu können.
Das Irritierende an diesem ist, dass man die Elektronen mit UV-Licht aus der Zinkplatte herauslösen kann, nicht aber mit einer normalen Lampe gleicher oder sogar höherer Intensität. Das kann man mit dem Wellenmodell nicht erklären. Nach diesem würde es nämlich nur auf die Intensität der Lampe ankommen, also auf die Watt die sie abstrahlt. Die Art des Lichts, also UV oder sichtbar, dürfte keine Rolle spielen. Der Photoeffekt belegt aber, dass gerade die Lichtart eine Rolle spielt, nicht aber die Intensität der Welle.
Einsteins Erklärung dafür war revolutionär. Er behauptete, dass Licht aus kleinen Teilchen besteht, den Lichtquanten oder, wie man sie später nannte, Photonen. Deren Energie sei proportional zu ihrer Frequenz. UV-Licht hat eine größere Frequenz als sichtbares Licht und daher auch dessen Photonen (siehe Tab. unten ). Sie schlagen somit „härter“ auf der Zinkplatte auf und sind in der Lage, die Elektronen abzulösen. Einstein verwendete für die Photonen-Energie eine Gleichung, die Max Planck ein paar Jahre früher aufgestellt hatte. Die Konstante h, die in der Gleichung vorkommt, ist das Planck'sche Wirkungsquantum (auch Planck-Konstante genannt;). Es spielt in der Quantenmechanik eine sehr große Rolle und wird uns noch oft über den Weg laufen. Es kann nur experimentell bestimmt werden.
| Photonen-Energie: $E = h \cdot f$ | |
|---|---|
| $E$ | Photonen-Energie, $[E]$ = 1J bzw. Elektronenvolt |
| $h$ | Planck'sches Wirkungsquantum, $h = 6,63 \cdot 10^{-34}$ Js |
| $f$ | Frequenz des Lichts $[f] = 1 s^{-1}$ |
Ein dir aus dem Alltag bekannter Effekt ist ein guter Beleg für den Zusammenhang zwischen Licht-Frequenz und Photonen-Energie: der Sonnenbrand. Dabei werden die Zellen der obersten Hautschicht durch die Photonen beschädigt (F11). Diese benötigen dafür aber eine Mindestenergie, die die Photonen von sichtbarem Licht Gott sei Dank nicht besitzen. Sonst würdest du im Scheinwerferlicht einen Mordssonnenbrand bekommen. Die Photonen des UV-B-Lichts haben aber mehr Energie (siehe folgende Tab.) und können somit einen Sonnenbrand verursachen.
| Relative Photonenenergie von sichtbarem und ultraviolettem Licht (die niedrigste Energie von roten Photonen wurde mit 1 angenommen). Um Elektronen aus einer Zinkplatte zu lösen bzw. um einen Sonnenbrand auszulösen, ist eine Frequenz von mindestens rund 1015 Hz notwendig. Das ist nur beim UV-B-Licht der Fall. |