Würzburger Quantenphysik- Konzept

G73a Wie kann Licht eine Kraft ausüben?

Impuls

Fotoeffekt

Lehrtext/Inhalt

Glossar  Versuchsliste

Im- pres- sum

Es gibt eine Vielzahl von Effekten, bei denen Licht eine Kraft ausübt. Der Lichtdruck ist die Ursache für den Staubschweif von Kometen. Dabei wird Staub aus dem Kometen in Gegenrichtung zur Sonne aus dem Kometen "geweht". Durch den Lichtdruck würden Satelliten und Raumstationen allmählich aus ihrer vorgesehenen Bahn um die Erde abgelenkt werden, wenn nicht immer wieder mit kleinen Triebwerken gegengesteuert würde. Die Flügel einer Lichtmühle (mit Vakuum) werden durch einfallende Photonen von der blanken Seite weg gestoßen. Im atomaren Bereich nutzt man Laserlicht, um Atome soweit ab zu bremsen, dass sie in einer so genannten Falle eingesperrt werden können. Ihre geringe kinetische Energie entspricht dann der mittleren kinetischen Energie, die ein Gas extrem nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt hätte. Deswegen spricht man von Laserkühlung.

Die Photonenvorstellung liefert ein sehr einfaches Bild dieser Kraft: Photonen haben einen Impuls. Bei einem "Stoß" mit einem Elektron oder einem Atom gilt der Impulserhaltungssatz (IES), bei einem elastischen "Stoß" auch der Energieerhaltungssatz (EES) und es kann Impuls und evtl. Energie an das Quantenteilchen übertragen werden. Das entspricht dem Lichtdruck auf ein Quantenteilchen.

Die Kraftübertragung an bewegte geladene Teilchen kann mit Hilfe der Lorentz-Kraft auch klassisch mit einer elektromagnetischen Welle erklärt werden, wenn auch nur qualitativ. Bekanntlich besitzt und überträgt auch eine elektromagnetische Welle einen Impuls. Zur Erklärung braucht man bei Absorption und erneuter Emission von Licht je einmal den Doppler-Effekt. Daraus folgt auch ein qualitatives klassisches Modell des Compton-Effekts.

Aber Atome sind als Ganze nicht geladen. Wie kann man verstehen, dass Licht auf sie wirkt? Das funktioniert nur bei geeigneter Lichtwellenlänge bzw. Lichtfrequenz, wenn Licht vom Atom absorbiert werden kann. Das Atom nimmt ein Photon auf, und damit auch den zugehörigen Impuls. Das Photon wird in in der Regel in irgendeine Richtung wieder abgestrahlt; das Atom verliert also wieder Impuls, aber bei vielen solchen Stößen überlebt im Mittel ein Impuls des Atoms in Richtung des eingestrahlten Lichts: das Atom wird beschleunigt. Ähnlich wird einem dem Lichtstrahl entgegen laufenden Atom Impuls und Energie entzogen: es wird gebremst.