| In diesem Artikel verwendete Symbole. |
| | |
Zwischen 1670 und 1900 diskutierten Wissenschaftler über die Natur des Lichts. Einige Wissenschaftler glaubten, dass Licht aus vielen Millionen winziger Teilchen besteht. Andere Wissenschaftler glaubten, dass Licht eine Welle sei.
Licht: Wellen oder Teilchen?
1678 schrieb Christiaan Huygens das Buch "Traité de la lumiere" ("Abhandlung über das Licht"). Er glaubte, dass Licht aus Wellen besteht. Er sagte, dass Licht nicht aus Teilchen bestehen könne, weil das Licht von zwei Strahlen nicht von einander abprallt. Im Jahre 1672 schrieb Isaac Newton das Buch Opticks. Er glaubte, dass Licht aus roten, gelben und blauen Teilchen besteht, die er Korpuskel nannte. Newton erklärte dies mit seinem "Zwei-Prismen-Experiment". Das erste Prisma brach das Licht in verschiedene Farben auf. Das zweite Prisma verschmolz diese Farben wieder zu weißem Licht.
Im 18. Jahrhundert wurde der Newtonschen Theorie die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. Im Jahr 1803 beschrieb Thomas Young das "Doppelspaltexperiment". Bei diesem Experiment interferiert Licht, das durch zwei schmale Schlitze geht, mit sich selbst. Dadurch entsteht ein Muster, das zeigt, dass sich das Licht aus Wellen zusammensetzt. Für den Rest des neunzehnten Jahrhunderts wurde der Wellentheorie des Lichts die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. In den 1860er Jahren entwickelte James Clerk Maxwell Gleichungen, die elektromagnetische Strahlung als Wellen beschrieben.
Die Theorie der elektromagnetischen Strahlung behandelt Licht, Radiowellen, Mikrowellen und viele andere Wellenarten als dieselbe Sache, nur dass sie unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Wellenlänge des Lichts, das wir mit unseren Augen sehen können, liegt ungefähr zwischen 400 und 600 nm. Die Wellenlänge von Radiowellen variiert von 10 m bis 1500 m und die Wellenlänge von Mikrowellen beträgt etwa 2 cm. In einem Vakuum bewegen sich alle elektromagnetischen Wellen mit Lichtgeschwindigkeit. Die Frequenz der elektromagnetischen Welle ist durch gegeben:
ν = c λ {\displaystyle \nu ={\frac {c}{\lambda }}} 
.
Hier werden die Symbole definiert.
Schwarze Strahler
Alle warmen Dinge geben Wärmestrahlung ab, die elektromagnetische Strahlung ist. Für die meisten Dinge auf der Erde liegt diese Strahlung im Infrarotbereich, aber etwas sehr Heißes (1000 °C oder mehr) gibt sichtbare Strahlung ab, das heißt Licht. In den späten 1800er Jahren untersuchten viele Wissenschaftler die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung von Schwarzkörperstrahlern bei verschiedenen Temperaturen.
Rayleigh-Jeans-Gesetz
Lord Rayleigh veröffentlichte 1900 erstmals die Grundlagen des Rayleigh-Jeans-Gesetzes. Die Theorie basierte auf der kinetischen Theorie der Gase. Sir James Jeans veröffentlichte 1905 eine vollständigere Theorie. Das Gesetz bezieht sich auf die Menge und Wellenlänge der elektromagnetischen Energie, die von einem schwarzen Strahler bei verschiedenen Temperaturen abgegeben wird. Die Gleichung, die dies beschreibt, lautet:
B λ ( T ) = 2 c k k T λ 4 {\darstellungsstil B_{\lambda }(T)={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}} 
.
Für langwellige Strahlung stimmten die von dieser Gleichung vorhergesagten Ergebnisse gut mit den in einem Labor erzielten praktischen Ergebnissen überein. Bei den kurzen Wellenlängen (ultraviolettes Licht) war der Unterschied zwischen Theorie und Praxis jedoch so groß, dass sie den Spitznamen "die ultraviolette Katastrophe" verdiente.
Planck'sches Gesetz
1895 veröffentlichte Wien die Ergebnisse seiner Studien über die Strahlung eines schwarzen Körpers. Seine Formel lautete:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 e - h c λ k T {\darstellungsstil B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}}e^{-{\frac {hc}{\lambda kT}}}} 
.
Diese Formel funktionierte gut für kurzwellige elektromagnetische Strahlung, aber nicht gut für langwellige.
Im Jahr 1900 veröffentlichte Max Planck die Ergebnisse seiner Studien. Er versuchte, einen Ausdruck für die Schwarzkörperstrahlung zu entwickeln, der in Wellenlängen ausgedrückt wird, indem er annahm, dass die Strahlung aus kleinen Quanten besteht, und dann zu sehen, was passiert, wenn die Quanten unendlich klein gemacht werden. (Dies ist ein mathematischer Standardansatz). Der Ausdruck war:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 1 e h c λ k T - 1 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}}~{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}}-1}}} 
.
Wenn man die Wellenlänge des Lichts sehr groß werden lässt, dann kann gezeigt werden, dass die Raleigh-Jeans und die Planck-Beziehungen fast identisch sind.
Er berechnete h und k und stellte fest, dass
h = 6,55×10-27 erg-sec.
k = 1,34×10-16 erg-deg-1.
Die Werte liegen nahe an den heute akzeptierten Werten von 6,62606×10-34 bzw. 1,38065×10-16. Das Planck'sche Gesetz stimmt gut mit den experimentellen Daten überein, aber seine volle Bedeutung wurde erst einige Jahre später erkannt.
Quantentheorie des Lichts
Es stellt sich heraus, dass Elektronen durch den photoelektrischen Effekt verdrängt werden, wenn Licht eine Grenzfrequenz erreicht. Darunter können keine Elektronen mehr aus dem Metall emittiert werden. 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, in der er den Effekt erklärte. Einstein schlug vor, dass ein Lichtstrahl keine Welle ist, die sich durch den Raum ausbreitet, sondern vielmehr eine Ansammlung von diskreten Wellenpaketen (Photonen), jedes mit Energie. Einstein sagte, der Effekt sei darauf zurückzuführen, dass ein Photon auf ein Elektron trifft. Dies demonstrierte die Teilchennatur des Lichts.
Einstein fand auch heraus, dass elektromagnetische Strahlung mit einer langen Wellenlänge keine Wirkung hatte. Einstein sagte, dies liege daran, dass die "Teilchen" nicht genug Energie hätten, um die Elektronen zu stören.
Plank schlug vor, dass die Energie jedes Photons mit der Photonenfrequenz durch die Planck-Konstante verbunden sei. Dies könnte mathematisch so geschrieben werden:
E = h ν = h c λ {\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}} 
.
Plank erhielt 1918 den Nobelpreis in Anerkennung seiner Verdienste um die Förderung der Physik durch seine Entdeckung der Energiequanten. 1921 erhielt Einstein den Nobelpreis für die Verknüpfung der Planck-Konstante mit dem photoelektrischen Effekt.
![Illustration aus Newtons Originalbrief an die Royal Society (1. Januar 1671 [Julianischer Kalender]). S steht für Sonnenlicht. Das Licht zwischen den Ebenen BC und DE ist farbig. Diese Farben werden zur Bildung von Sonnenlicht auf der Ebene GH rekombiniert](https://www.alegsaonline.com/zoom.php?image=NewtonDualPrismExperiment.jpg)
![{\displaystyle h={\frac {\mu _{0}\pi }{12c^{3}}}{[{q_{0}}{[0.9163a_{0}]}^{2}]^{2}}{f_{1r}}^{5}\cdot {s}=6.63\times 10^{-34}J\cdot s}](https://www.alegsaonline.com/image/4c47db8d0ec87cc985fc3b80db4214489e87a164.svg)
