Die Planck'sche Konstante und die Energie eines Photons
Im Jahr 1900 arbeitete Max Planck an der Frage nach dem Zusammenhang zwischen der Strahlung, die von einem Objekt ausgesandt wird, und dessen Temperatur. Er fand eine Formel, welche die experimentellen Resultate gut reproduzierte, aber die Formel ergab nur einen Sinn, wenn er annahm, dass die Bewegung der schwingenden Moleküle quantisiert war — d.h., dass sie nur bestimmte Werte annehmen konnte. Die Energie müsste proportional zur Frequenz der Schwingung sein, und es schien, als würde die Energie in Form von kleinen "Klümpchen" auftauchen, deren Wert gegeben ist durch die Frequenz multipliziert mit einer gewissen Konstante. Diese Konstante wurde später Planck'sche Konstante (Planck'sches Wirkungsquantum) oder h genannt. Sie hat den Wert
Dies ergibt keinen Sinn für mich. Ich glaube, ich frage Dr. Meier, was J bedeutet.
Das ist eine ziemlich kleine Konstante.
Ja, aber es war eine radikal neue Idee, vorzuschlagen, dass die Energie nur in diskreten Paketen auftreten kann, auch wenn diese Pakete sehr klein sind. Planck selbst erkannte damals nicht wirklich, wie revolutionär seine Arbeit war; er dachte, er hätte nur die Mathematik "frisiert", um die "richtige Antwort" zu erhalten, und war überzeugt, dass irgendwann einmal jemand eine bessere Erklärung für seine Formel finden würde.
Ich nehme an, dass zumindest Einstein ihn ernst genommen hat.
Sehr ernst sogar. Ausgehend von Plancks Arbeit schlug Einstein vor, dass auch die Energie von Licht in Form von kleinen Teilchen oder Quanten, die wir heute Photonen nennen, auftritt. Die Energie jedes Photons ist dabei durch die Planck'sche Konstante mal seiner Frequenz gegeben.
In diesem Fall würde die Frequenz des Lichts tatsächlich eine Rolle beim photoelektrischen Effekt spielen.
Genau. Photonen von hoher Frequenz haben mehr Energie, und sie schlagen die Elektronen mit einer größeren Geschwindigkeit heraus; wenn man daher mit Licht von größerer Frequenz, aber gleicher Intensität arbeitet, sollte sich die maximale kinetische Energie der Elektronen erhöhen. Wenn man hingegen die Frequenz des Lichts gleich lässt und nur die Intensität des Lichts erhöht, so sollten mehr Elektronen herauskommen (da es mehr Photonen gibt, die sie treffen), aber sie würden nicht schneller herauskommen, da jedes Photon die gleiche Energie hat.
Und wenn die Frequenz tief genug ist, so wird keines der Photonen genügend Energie haben, um ein Elektron aus einem Atom zu schlagen. Wenn man also sehr niederfrequentes Licht benutzt, so sollte man überhaupt keine Elektronen erhalten, wohingegen man mit hochfrequentem Licht immer noch Elektronen erhält, auch dann, wenn die Intensität sehr niedrig ist.
Ganz genau. Daher sollte es möglich sein, anhand von ein paar einfachen Messungen herauszufinden, ob Licht nun aus Wellen oder aus Teilchen besteht.
Hat denn jemand dieses Experiment gemacht? Was ist dabei herausgekommen?
In den Jahren 1913-1914 hat R. A. Millikan eine Reihe von sehr sorgfältigen Experimenten zum photoelektrischen Effekt durchgeführt. Er fand, dass seine Ergebnisse ganz genau mit Einsteins Vorhersagen für die Photonen übereinstimmten und nicht mit der Wellentheorie. Einstein erhielt sogar den Nobelpreis für seine Arbeit zum photoelektrischen Effekt und nicht für seine berühmtere Relativitätstheorie.
Dann besteht Licht also aus Teilchen! Aber Moment mal...wie steht es dann mit dem Doppelspalt-Experiment? Ich sehe nicht, wie Licht ein Interferenzmuster erzeugen kann, wenn es nicht aus Wellen besteht.
Tja, in Wirklichkeit ist leider alles ein bisschen komplizierter. Einige Experimente, wie dieses, zeigen ohne jeden Zweifel, dass Licht aus Teilchen besteht, andere beweisen genauso unwiderlegbar, dass es eine Welle ist. Wir können daraus nur schließen, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist — oder, dass es etwas anderes ist, das wir uns nicht vorstellen können, was uns wie das eine oder das andere erscheint, je nachdem, wie wir es betrachten.
