Wärmestrahlung, Photoeffekt und Heisenbergs Unschärferelation

Wärmestrahlung und das Plancksche Strahlungsgesetz

Als Wärmestrahlung wird die elektromagnetische Strahlung bezeichnet, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur aussendet. Zur Untersuchung dieses Phänomens dient das physikalische Modell des schwarzen Körpers. Dieser ist ein ideales System, das in der Lage ist, die gesamte auf ihn treffende Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zu absorbieren; er ist somit auch ein idealer Strahler.

Die Strahlung bildet ein kontinuierliches Spektrum, da elektromagnetische Wellen auf allen Frequenzen emittiert werden. Ein weiteres Merkmal der emittierten Energie ist die Existenz einer Frequenz, bei der die Emissionsintensität maximal ist. Die Position dieses Maximums im Spektrum hängt von der Temperatur ab: Mit steigender Temperatur des schwarzen Körpers verschiebt sich das Maximum zu kürzeren Wellenlängen.

Max Planck nahm an, dass sich die Atome wie kleine Oszillatoren verhalten, die jeweils bei verschiedenen Frequenzen schwingen. Seine Hypothese lautet: Jeder Oszillator kann Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung nur in Mengen aufnehmen oder abgeben, die proportional zur Schwingungsfrequenz sind: E = h · f, wobei h die Plancksche Konstante ist. Körper senden oder absorbieren Energie somit nicht kontinuierlich, sondern in diskontinuierlichen Paketen, den sogenannten Energiequanten.

Der Photoelektrische Effekt

Der Photoeffekt beschreibt die Emission von Elektronen aus der Oberfläche eines Metalls, wenn Licht mit einer ausreichend hohen Frequenz auf diese trifft. Zur Analyse wird eine Fotozelle verwendet, die an eine Stromquelle angeschlossen ist.

• Schwellenfrequenz: Wenn elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz auftrifft, die gleich oder größer als die Schwellenfrequenz ist, fließt ein Strom, da Elektronen von der Kathode zur Anode springen.
• Intensität: Ein solcher Elektronensprung erfolgt auch bei geringer Lichtintensität. Eine Erhöhung der Lichtintensität führt zwar zu einer größeren Anzahl emittierter Elektronen (e^-), erhöht jedoch nicht deren Energie.
• Gegenspannung: Kehrt man die Polung der Elektroden um, nimmt die Stromstärke ab. Es existiert ein Potenzialwert V₀, bei dem kein Elektron mehr die Anode erreicht. Dies ist das Brems- oder Gegenpotenzial, welches die maximale kinetische Energie der Elektronen bestimmt.

Die Energie, die ein Körper in Form von elektromagnetischen Wellen abstrahlt, ist nicht kontinuierlich über die Wellenfront verteilt, sondern in kleinen Energiequanten, den sogenannten Photonen, quantisiert.

Heisenbergsche Unschärferelation

Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass es unmöglich ist, gleichzeitig die Position und den Impuls (p = m · v) eines Teilchens exakt zu bestimmen. Je genauer eine dieser Größen bestimmt wird, desto ungenauer ist die andere. Der Fehler bei der Bestimmung der Position (Δx) multipliziert mit dem Fehler bei der Bestimmung des Impulses (Δp) ist größer oder gleich h / 4π.