Woher wissen wir, dass Photonen existieren?
Woher wissen wir, dass Photonen existieren?
3 Antworten
Hallo lucboy55,
ein erster Hinweis auf die Existenz von Photonen war PLANCKs Strahlungsgesetz. In einem Hohlraum, z.B. einem Kasten der Kantenlänge L, gibt es aufgrund der Temperatur immer elektromagnetische Strahlung, die von der Wellenlänge her in den Kasten passen muss. Die Schwingungsmoden müssen Frequenzen haben, bei denen die Wände des Kastens Schwingungsknoten sind.
Je höher die Frequenz, desto mehr Schwingungsmoden in einem bestimmten engen Frequenzbereich passen in den Kasten; die Beziehung ist quadratisch.
Nach der klassischen Vorstellung müsste nun jede Schwingungsmode im zeitlichen Mittel mit der Energie kBT (kB ist die BOLTZMANN- Konstante) angeregt sein, d.h. die Strahlung müsste bei jeder Temperatur mit wachsender Frequenz immer intensiver werden (Strahlungsgesetz von RAILEIGH und JEANS), was offensichtlich nicht der Fall ist.
Stattdessen nimmt bei gegebener Temperatur die Intensität zunächst zu, erreicht ein temperaturabhängiges Maximum und fällt dann exponentiell wieder ab.
Um das zu erklären, postulierte PLANCK 1900, dass elektromagnetische Strahlung einer gegebenen Frequenz f nicht kontinuierlich, sondern nur in "Portionen" der Energie hf absorbiert oder emittiert werden könne. Übrigens steht das "h" für "Hilfsgröße"; PLANCK hoffte, es werde später eine bessere Erklärung geben.
Jedenfalls werden nach dieser Idee bei gegebener Temperatur T nur Schwingungsmoden mit f << kBT/h im zeitlichen Mittel mit kBT angeregt, für höhere Frequenzen ist einfach nicht genügend Energie zur häufigen Anregung da.
Fünf Jahre später machten sich Physiker Gedanken über den Photoelektrischen Effekt. Dabei wird, grob gesprochen, Metall mit monochromatischem Licht bestrahlt und gibt Elektronen ab, die auf einer Elektrode auftreffen und einen Strom verursachen. Der Strom wächst mit der Intensität des Lichts.
Allerdings gilt das nur, wenn die Frequenz hoch genug ist; unterhalb dieser Frequenz tut sich bei noch so hoher Intensität gar nichts. Die minimale Frequenz hängt übrigens vom Metall ab: Chemisch edle Metalle brauchen höhere Frequenzen.
Das ließ sich mit der klassischen Wellentheorie des Lichts nicht erklären, wohl aber mit PLANCKs Idee von 1900. PLANCK selbst hatte noch geglaubt, die "Portionierung" der Lichtenergie sei eher eine Eigenschaft der Wände des Kastens als des Lichts selbst.
EINSTEIN hingegen war der Meinung, das Licht selbst bestehe aus solchen "Portionen", die wir heute Photonen nennen, und ein Elektron müsse durch den Treffer eines einzelnen Photons aus dem Metall geschossen werden, ähnlich wie ein Fußball in einer Mulde durch einen einzelnen hinreichend festen Tritt aus der Mulde befördert werden kann; viele zu schwache Tritte bewirken hingegen nichts.
Weil Einstein genau dafür den Nobelpreis bekommen hat (nicht etwa für seine Relativitätstheorie oder das Gesetz E = m x c²).
Genauer kannst du das nachlesen unter dem Stichwort: äußerer Photoeffekt.
Weil das die feinsten Messverfahren feststellen können. Ein einzelnes Photon lässt sich messen inzwischen, z.B. in den riesigen Messtanks tief im Berg, mit denen man Neutrinos detektieren kann. Google mal nach Werner Heisenberg und Quantenmechanik.