Grundlagen der Quantenphysik: Photonen und Strahlung

Elektromagnetische Energie und Wärmestrahlung

Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner thermischen Strahlung emittiert, wird als Wärmestrahlung bezeichnet. Diese Strahlung variiert mit der Temperatur und der Zusammensetzung des Körpers. Körper, deren Wärmestrahlung ausschließlich von ihrer Temperatur abhängt, werden als schwarze Körper bezeichnet. Die von der Oberfläche emittierte Gesamtleistung P folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. Die Wellenlänge, bei der die maximale Strahlungsleistung erzeugt wird, ist umgekehrt proportional zur Temperatur T.

Die Plancksche Hypothese

Britische Physiker versuchten, die Strahlung schwarzer Körper mithilfe der Prinzipien des Elektromagnetismus und der klassischen Thermodynamik zu beschreiben. Sie erhielten einen mathematischen Ausdruck, bei dem die Energie der Strahlung mit zunehmender Wellenlänge unbegrenzt ansteigt, während sie für sehr kleine Wellenlängen gegen Null tendiert. Das Versagen der klassischen Theorie in diesem Bereich wurde als UV-Katastrophe bekannt.

Ende des 19. Jahrhunderts formulierte Max Planck folgende Hypothese: Die strahlenden Atome verhalten sich wie harmonische Oszillatoren. Jeder Oszillator absorbiert oder emittiert Strahlungsenergie in einer Menge, die proportional zu seiner Schwingungsfrequenz f ist: E₀ = h · f. Die gesamte Energie, die von jedem Oszillator absorbiert oder emittiert wird, kann nur ein ganzzahliges Vielfaches dieser Energie sein: E = n · E₀ = n · h · f. Diese Energiepakete wurden als Quanten bezeichnet, wobei n die Quantenzahl darstellt.

Der photoelektrische Effekt

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts durchgeführte Experimente zeigten einen Effekt, der der klassischen elektromagnetischen Theorie widersprach: Licht bestimmter Frequenzen löste beim Auftreffen auf Metalloberflächen Elektronen aus, die sogenannten Photoelektronen. Dieses Phänomen nennt man den photoelektrischen Effekt.

Einsteins Quantentheorie

Albert Einstein stellte die klassische Lichttheorie infrage und schlug eine neue Theorie vor, um den photoelektrischen Effekt zu erklären. Er postulierte, dass die Energie einer Strahlungsquelle in Paketen, den sogenannten Photonen, quantisiert ist. Die Energie jedes Photons ist durch den Ausdruck E = h · f gegeben. Ein Photon wird vollständig von einem Elektron absorbiert. Die kinetische Energie (E_c) der Photoelektronen wird durch die photoelektrische Gleichung bestimmt: E_{c,max} = h · f - W_0, wobei W_0 die Austrittsarbeit ist. Einsteins Theorie wurde später durch die Experimente von Millikan bestätigt.

Eigenschaften der Photonen und der Compton-Effekt

Die Existenz von Photonen wurde zusätzlich durch den Physiker Arthur Compton bestätigt. Er richtete einen Strahl der Wellenlänge λ auf ein Graphitblatt und beobachtete, dass die gestreute Strahlung zwei Wellenlängen aufwies: eine, die der einfallenden entsprach, und eine größere (λ'). Nach der klassischen Theorie sollten beide Wellenlängen identisch sein.

Compton betrachtete die elektromagnetische Strahlung als eine Reihe relativistischer Teilchen (Photonen) mit der Ruhemasse m_0 = 0, der Energie E = h · f und dem Impuls p = E / c = h / λ. Der Compton-Effekt bestätigte sowohl die Gültigkeit der relativistischen Mechanik als auch die Existenz der Photonen.