Licht als Welle und Quant: Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts

1. Licht als Welle und Quant: Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts Thomas Trefzger

2. Albert Einstein, 1951 Fünfzig Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage „Was sind Lichtquanten?“ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich.

4. LICHT ? • Epikur: Sehstrahlen, „Stock eines Blinden“ • Empedokles: Gegenstände senden feine Teilchen aus

5. Abu Ali al-Hasan ibn al-Haitham • Licht wird an Gegenständen reflektiert • Licht bewegt sich mit einer endlichen Geschwindigkeit • Im dichteren Medium langsamer als im dünnen Medium

6. Licht bringt uns Kunde von entfernten Vorgängen • Wasserwellen liefen über den Ozean bis nach Südamerika. • Staubteilchen gelangten in höhere Luftschichten und wurden an entfernte Teile der Erde transportiert.

7. Isaac Newton (1643-1727)Welle oder Teilchen ? • Von der Lichtquelle gehen kleine Partikel aus, die sich nach allen Richtungen geradlinig fortbewegen

8. Christiaan Huygens (1629-1695)Welle oder Teilchen ? • Raum gefüllt mit einem elastischen lichtfortpflanzenden Äther (Träger der Welle)

9. Thomas Young, 1800Welle ! • Interferenzer-scheinungen • „Stein ins Wasser werfen“ • T. Young, 1800 • J. Fresnel, 1815

11. J. C. Maxwell (1860)Michelson-Morley Experiment Michelson-Morley Experiment (1887) • Konstante Lichtgeschwindigkeit • Widerspruch zur Äthertheorie James C. Maxwell (1860): Licht als elektromagnetische Welle Welle !

12. Heinrich Hertz (1857-1894) • Funke springt schon bei niedriger Spannung über, wenn Elektrode mit UV-Licht bestrahlt wird (1886) • Nachweis der elektromagnetischen Welle

13. Albert Einstein, 1886

14. Wilhelm Hallwachs (1859-1922) • Negativ geladene Platten werden bei Bestrahlung mit UV-Licht entladen • Positiv geladene Platten bleiben bei Bestrahlung mit UV-Licht aufgeladen

15. Albert Einstein (1896) „Ich aber arbeitete die meiste Zeit im physikalischen Laboratorium, fasziniert durch die direkte Berührung mit der Erfahrung. Die übrige Zeit benutze ich hauptsächlich, um die Werke von Kirchhoff, Helmholtz, Hertz, usw. zu Hause zu studieren.“

16. Philipp Lenard (1862-1947) • 24.12.1900 Entdeckung lichtelektrischer Effekt • 1905 Nobelpreis für seine Arbeiten über die Kathodenstrahlen • Wortführer der „Deutschen Physik“ • Kämpfte gegen die “jüdische Physik“

17. Philipp Lenard • Energie der emittierten Elektronen unabhängig von der Intensität der eintreffenden Strahlung • Unterhalb einer bestimmten Frequenz keine Emission von Elektronen Widerspruch zur Wellennatur des Lichts !!!

18. Wärmestrahlung • Die spektrale Verteilung der Wärmestrahlung hängt von der Temperatur des Körpers ab. • Je heißer dieser ist, desto mehr ist das Maximum der Spektralverteilung zu kurzen Wellenlängen hin verschoben. • Eisen ist bei ca. 550°C rotglühend und wird bei weiterer Temperatursteigerung weißglühend.

19. Strahlung des schwarzen Körpers

20. Planck‘sches Wirkungsquantum • „glücklich erratene Interpolationsformel “ • Atomare Oszillatoren können Energie nur in Energiequanten des Betrags hf abgeben oder aufnehmen • Proportionalitätsfaktor h zwischen Energie und Frequenz • Planck‘sches Wirkungsquantum

21. Planck‘sches Strahlungsgesetz

22. Max Planck (1858-1947) • „Bei der Einführung der Wirkungsquanten h in die Theorie ist so konservativ als möglich zu verfahren, d.h. es sind an der bisherigen Theorie nur solche Änderungen zu treffen, die sich als absolut nötig herausgestellt haben.“

23. Lichtelektrischer Effekt: 1.Beobachtung • Kinetische Energie der ausgelösten Elektronen hängt ausschließlich von der Frequenz des eingestrahlten Lichtes ab

24. Lichtelektrischer Effekt: 2.Beobachtung • Die kinetische Energie der Elektronen ist unabhängig von der eingestrahlten Intensität

25. Klassische Erwartung • Es gibt keine Minimalfrequenz • Kinetische Energie ist proportional zur Intensität

26. Optische Spektren

28. Zinkplattenversuch

29. Hypothese Licht ist eine elektromagnetische Welle Licht kann Energie an die Elektronen einer Metalloberfläche in kontinuierlichen Beträgen abgeben. Photoeffekt Vorhersagen: • Sichtbares Licht wird bei genügender Intensität die Energie für die Ablösung der Elektronen liefern.

30. Experiment - Zinkplatte - Teil 1 • Zinkplatte (Sandpapier!) • Der Ausschlag des Elektroskops geht nicht zurück. • Die Zinkplatte bleibt positiv aufgeladen. • Elektroskop • positiv aufladen • UV-Licht

31. Experiment - Zinkplatte - Teil 2 • Zinkplatte (Sandpapier!) • Der Ausschlag des Elektroskops geht zurück. • Die Zinkplatte wird entladen. • Das UV-Licht vermag die Elektronen von der Zinkplatte abzulösen. • Elektroskop • negativ aufladen • UV-Licht

32. Experiment - Zinkplatte - Teil 3 • Zinkplatte (Sandpapier!) • Der Ausschlag des Elektroskops geht nicht zurück. • Die Zinkplatte wird nicht entladen. • Das sichtbare Licht vermag – trotz der hohen Intensität! – die Elektronen nicht von der Zinkplatte abzulösen. • Elektroskop • negativ aufladen • Sichtbares Licht

33. Ergebnisse – Zinkplatte – Teil 4 • Sichtbares Licht vermag auch bei hohen Intensitäten aus einer Zinkplatte keine Elektronen abzulösen! • UV-Licht gelingt diese Ablösung auch bei einer ganz schwachen Intensität! • Vorhersage falsifiziert • Hypothese widerlegt • Licht ist keine elektromagnetische Welle

34. Das Scheitern der klassischen TheorieWas ist passiert ? Licht als Welle !?

35. Albert Einstein (1900-1905)

36. Lösung durch Einstein • Das Lichtquant gibt seine Energie an das Elektron ab (E=hf) • Auslösearbeit P notwendig Maximale Energie:

37. Der revolutionärste Satz eines Physikers im 20. Jahrhundert Die Energie des Lichts bestehe aus „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als ganzes absorbiert und erzeugt werden können.“ „Es war, wie wenn einem der Boden unter den Füßen weggezogen worden wäre, ohne daß sich irgendwo fester Grund zeigte, auf dem man hätte bauen können.“

39. Albert Einstein, Max Planck Dass er in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie z. B. in seiner Hypothese der Lichtquanten, wird man ihm nicht allzu sehr anrechnen dürfen. Denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, lässt sich auch in der exaktesten Wissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen. (Planck 1913)

40. Albert Einstein (1879-1955)

41. Einstein und der Nobelpreis • … für seine Dienste in der theoretischen Physik, vor allem für die Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effektes. • Einstein war 1921 auf Weltreise (Japan) • Deutscher Botschafter als Vertreter • Einstein war Schweizer Staatsbürger • Preisgeld 1918 (!) seiner (Ex-)Frau überschrieben, damit sie in die Scheidung einwilligt.

42. Einstein und Mileva: Du sorgst dafür: • dass meine Kleider und Wäsche ordentlich im Stand gehalten werden • dass ich die drei Mahlzeiten im Zimmer ordnungsgemäß vorgesetzt bekomme • dass mein Schlaf- und Arbeitszimmer stets in guter Ordnung gehalten sind, insbesondere, dass der Schreibtisch mir allein zur Verfügung steht.

43. Spezielle Relativitätstheorie Alle Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, haben keine Ruheenergie, d.h. Licht hat keine Ruheenergie. Damit ist die Energie

44. Einstein‘sches Postulat • Falls Licht aus Energiequanten der Energie hf besteht, dann können diese Quanten in einen Körper eindringen und ihre gesamte Energie an ein Elektron abgeben • Falls das Elektron beim Austritt aus dem Körper Arbeit leisten muss, dann ist seine kinetische Energie um diese Arbeit reduziert:

45. Photoeffekt im Wellenmodell • Metallelektronen sind freie Teilchen, auf die die Kraft wirkt • Bewegungsgleichung eines Elektrons: mit der Lösung:

46. Widersprüche !

47. Messungen von Millikan (1917)

48. Experimenteller Aufbau

49. Funktionsprinzip • Der Photostrom der Photozelle erzeugt die Gegenspannung durch das Aufladen eines Kondensators. • Der Kondensator wird bis zu der Spannung, die der Maximalenergie eines Photoelektrons entspricht, aufgeladen.

50. Experimenteller Aufbau