Quantenphysik

Die Quantenhypothese, die Max Planck 1900 aufstellte, um das Problem der Ultraviolett-Katastrophe zu lösen, revolutionierte die Physik. In der Quantenphysik sind u.a. folgende Phänomene anders, als in der klassischen Physik:

Klassische Physik	Quantenphysik
Licht = elektromagnetische Welle	Licht = Welle und Teilchen (Welle-Teilchen-Dualismus)
Elektronen = Teilchen	Elektronen = Welle und Teilchen
Alles ist determiniert	Viele Prozesse laufen zufällig ab und können nicht verhergesagt werden

Licht als Welle

Durch das Doppelspaltexperiment konnte "gezeigt" werden, dass Licht eine Welle ist. Aufgrund der Interferenz der beiden Wellen (zwei Spalte) entstanden mehrere kleine Erhebungen in der Intensität, mit der größten Intensität in der Mitte - dies wäre bei Teilchen nicht der Fall (zwei gleich große Erhebungen). Daher wurde ein Wellenmodell angenommen.

Licht als Teilchen

Newton beschrieb Licht aufgrund folgender Eigenschaften als Teilchen:

• Gerade Bewegung im Raum
• Reflexion (vgl. Fußball prallt von der Wand ab)
• Brechung

Doch diese Eigenschaften können auch anhand des Wellenmodells beschrieben werden, und das Doppelspaltexperiment kann ausschließlich mit Wellen erklärt werden.

Rayleigh und die Ultraviolett-Katastrophe

Ein Schwarzer Körper absorbiert 100% jeder Strahlung und emittiert Wärmestrahlung (jeder Körper gibt Wärmestrahlung ab, abhängig von seiner Temperatur). Mit zunehmender Temperatur wird die abgestrahlte Energie größer und die Wellenlänge kleiner.

Rayleigh und Jeans stellten eine Formel auf, die die Schwarzkörperstrahlung bei hohen Wellenlängen gut beschreiben konnte, bei geringen Wellenlängen divergiert die Strahlungsdichte jedoch richtung ∞ (es gibt jedoch keine unendliche Energie → Widerspruch).

Max Planck sah die Energie nicht wie bisher als Größe, die jeden beliebigen Wert annehmen kann, sondern als Energiepakete (→ nicht mehr jeder beliebige Energiewert möglich - nur Vielfache der Energiepakete). Er modifizierte also die Formel (→ Planck'sches Strahlungsgesetz - Zunahme bis λ maximal, dann asymtotische Abnahme), die auch experimentell bestätigt werden konnte.

λ_max verändert sich gemäß dem Wien'schen Verschiebungsgesetz in Abhängigkeit von der Temperatur:

• Hohe Temperatur → kleine Wellenlänge → mehr Energie
• Strahlung ab 600°C sichtbar
• Strahlung unabhängig von Material/Oberfläche des Körpers

Planck'sches Wirkungsquantum
h = 6.626 ⋅ 10^-34 Js

Die Einheit Js (Joulesekunden) beschreibt die Einheit einer Wirkung.

Photoeffekt

Eine negativ aufgeladene Zinkplatte wird mit Licht bestrahlt. Dabei kommt es zum Ladungsausgleich, nicht aber bei jeder Lichtart:

• Die Energie ist von Wellenlänge und Frequenz abhängig (nicht Intensität)
• Bei höherer Intensität werden nur dann mehr Elektronen ausgelöst, wenn auch die Wellenlänge klein genug ist (< Grenzwellenlänge - genug Energie → der "Rest" geht in die kinetische Energie des Elektrons über)
• Keine Zeitverzögerung zwischen Lichteinfall und Elektronenaustritt (→ Widerspruch zum Wellenmodell)

Einstein (der 1921 den Nobelpreis für die Beschreibung des Photoeffekts erhielt) argumentierte Licht aufgrund dieses Versuchs als Teilchen (Widerspruch zum Wellenmodell):

• Ein Photon löst bei ausreichend Energie ein Elektron aus → bei hoher Intensität mehr Photonen
• Bei einem Stoß gibt es keine zeitliche Verzögerung (vgl. Ball, der aus einem Loch geschossen wird)

Es gilt, bei unserem Vergleich mit einem Ball: Austrittsarbeit = Masse ⋅ Gravitationskonstante ⋅ Höhe; Gesamtenergie = Austrittsarbeit + kinetische Energie → E_kin = E - W

Beim Photoeffekt ergibt sich daraus: E_kin (Energie nach dem Stoßprozess) = E_γ (Energie des Photons) ** - W (E_kin** = Energie nach dem Stoßprozess)

E_γ = h ⋅ f = h ⋅ $\frac{c}{λ}$