Grundlagen der Modernen Physik: Relativität und Quantenphänomene

Relativität der Gleichzeitigkeit und Zeitdilatation

Zwei Ereignisse können nicht gleichzeitig sein (Relativität der Gleichzeitigkeit), da die Relativitätstheorie die Dilatation von Masse, Zeit und Dauer beschreibt. Die einzige Bedingung, um diese relativistischen Phänomene zu beobachten, ist, dass sich der bewegte Beobachter mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen muss.

Klassische und Relativistische Theorien im Vergleich

Die Korpuskulartheorie des Lichts, erklärt durch den Compton-Effekt, besagt, dass sich Licht wie ein Teilchen und nicht nur als Welle verhalten kann. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant und benötigt kein Medium für den Transport, da sie sich durch ein Vakuum ausbreitet.

Inertialsysteme und die Postulate der Relativitätstheorie

Angenommen, zwei Inertialsysteme O und O'. Das System O' bewegt sich relativ zu O entlang der OX-Achse. Nur die Position X' variiert relativ zu O, ebenso wie die Geschwindigkeit. Die Beschleunigung ist in X', Y' und Z' Null, da die Geschwindigkeit konstant ist.

Die Voraussetzungen der Speziellen Relativitätstheorie

1. Erstes Postulat: Die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen gleich. Es gibt kein privilegiertes Inertialsystem, das als absolut betrachtet werden kann.
2. Zweites Postulat: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante, die von der Bewegung der Lichtquelle unabhängig ist.

Hauptunterschiede: Klassische vs. Moderne Physik

1. Bezugssystem: Die klassische Physik postulierte ein gemeinsames, absolutes Bezugssystem. Die moderne Physik kennt kein einheitliches Bezugssystem.
2. Lichtgeschwindigkeit: In der klassischen Physik hing die Geschwindigkeit des Lichts vom Sender ab. In der modernen Physik ist der Wert der Lichtgeschwindigkeit immer konstant.

Der Photoelektrische Effekt

Der photoelektrische Effekt ist die Emission von Elektronen (Photoelektronen) aus Metallen, wenn diese mit Licht einer bestimmten Frequenz bestrahlt werden. Für jeden Stoff gibt es eine Grenzfrequenz (oder Schwellenfrequenz), unterhalb derer keine Photoelektronen erzeugt werden, unabhängig von der Intensität der Strahlung.

Erklärung des Wasserstoffspektrums

Das Wasserstoffspektrum entsteht, weil das einzelne Elektron des Wasserstoffatoms nur auf bestimmten, quantisierten Energieniveaus existieren kann. Wenn das Atom Strahlung absorbiert oder emittiert, springt das Elektron zwischen diesen Niveaus. Das resultierende Energie-Spektrum ist quantisiert.

Lichtenergie und Elektronenemission an Metalloberflächen

Betrachtet man Metalloberflächen: Blaues Licht (mit kürzerer Wellenlänge als grünes Licht) besitzt eine höhere Energie. Diese Energie muss den Schwellenwert überschreiten, um Elektronen (e⁻) von der Metalloberfläche freizusetzen. Rotes Licht (mit längerer Wellenlänge als gelbes Licht) besitzt eine geringere Energie, die oft nicht ausreicht, um Elektronen freizusetzen.

Die De-Broglie-Hypothese: Welle-Teilchen-Dualismus

De Broglie schlug vor, dass Materie (Stoffe) sowohl Wellen- als auch korpuskulare (Teilchen-) Eigenschaften besitzt. Bisher wurden Elektronen nur als Teilchen betrachtet. De Broglie schlug vor, diesen Unterschied aufzuheben: Ein Teilchenstrahl und eine Welle sind im Wesentlichen dasselbe Phänomen, sodass auch das Elektron eine Wellenlänge besitzt (Materiewelle).

Lichtbeugung und Wellenlängenzerlegung

Weißes Licht wird durch einen Schlitz geleitet und zerlegt sich entsprechend den verschiedenen Wellenlängen. Es wird abgelenkt (gebeugt), und man sieht, dass das, was den Detektor erreicht, nicht homogen ist.

Energieemission des Wasserstoffatoms

Wenn ein Wasserstoffatom Energie aufnimmt, springt das Elektron von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres. Beim Zurückfallen auf ein niedrigeres Niveau wird diese Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freigesetzt, die im Spektrum sichtbar ist. Die Wellenlänge der Strahlung hängt von der Energiedifferenz zwischen den Niveaus ab.