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SG064 Teilchenmodell des Lichts

Strahlenmodell des Lichts

Wellenmodell des Lichts 

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

(1) Die Idee stammt von Newton aus dem 17. Jahrhundert: Das Licht sei ein Strom von Lichtteilchen, die sich geradlinig ausbreiten. Wenn diese ins Auge fallen, rufen sie einen Lichtreiz hervor. Wenn sie auf einen Spiegel fallen, werden sie wie Gummibälle an einer festen Wand reflektiert. Durch ein Hindernis können sie nicht hindurch treten. Die an den Rändern vorbeilaufenden Lichtteilchen werfen einen eng begrenzten Schatten. Und wenn man ihnen eine Schirm mit einer Lochblende in den Weg stellt, können sie nur durch die Öffnung passieren; es entsteht dahinter auf einer Wand ein eng begrenzter Leuchtfleck. So glaubte Newton (Newton'sches Teilchenmodell von Licht) .

Bis ca. 1800 war das die übliche Meinung vieler Physiker. Die Möglichkeit der Interferenz veranlasste sie dann aber, ein Wellenmodell des Lichts zu favorisieren, bis dann der Fotoeffekt entdeckt und um 1905 durch Teilchen, so genannte Photonen, erklärt wurde (Einstein).

(2) Nach dem dann wieder hoffähig gemachtem Teilchenmodell des Lichts (quantenphysikalisches Teilchenmodell von Licht) besteht Licht einer bestimmten Wellenlänge λ und Frequenz  f (Farbe) aus einem Strom von Photonen einheitlicher Energie E = h·f. Je höher die Frequenz des Lichts, desto größer die Energie jedes einzelnen Photons. Photonen haben auch einen Impuls p mit p = E/c bzw. p = h/λ (c Lichtgeschwindigkeit, h Planck'sches Wirkungsquant). Je höher die Intensität des Lichts, desto mehr Photonen der Energie E = h·f fallen pro Zeiteinheit auf eine Fläche. Bei sichtbarem Licht beträgt die Photonenenergie ungefähr 2 bis 4 eV. Bei UV-Licht ist sie größer oder gar bei "Röntgen-Licht" und Gammastrahlung sehr viel größer, bis viele GeV. Bei Radiowellen sehr viel kleiner als 1 eV.

Man braucht in der Quantenphysik offenbar beide Aspekte, einen Wellenaspekt (f, λ) und einen Teilchenaspekt (E, p). Vereinfachend gebraucht man statt der Quantentheorie oft Modelle von der Wirklichkeit.


(3) Seit Glaubers Entdeckung von 1963 verstehen wir bei einer elektromagnetischen Welle einheitlicher Wellenlänge und Frequenz den Zusammenhang zwischen Wellenmodell und Teilchenmodell besser: Es gibt die Situation, dass sich die Photonen einheitlicher Energie in einem so genannten kohärenten Zustand befinden. Er enthält eine un-be-stimmte, also bei Messungen streuende Zahl von Photonen. Die Erwartungswerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke (so etwas wie Durchschnittswerte) zeigen dann genau das Verhalten von klassischen elektromagnetischen Wellen, allerdings, die einzelnen Messwerte streuen sehr stark. Die mittlere Photonenzahl kann ganz beliebig sein, aber, wenn sie sehr hoch ist, fallen die Streuungen kaum mehr auf. Dann verhält sich der kohärente Zustand wie eine klassische elektromagnetische Welle. Bei Radiowellen mit der extrem kleinen Photonenenergie ist das besonders auffällig. Bei allen klassischen technischen Anwendungen sind deshalb extrem viele Photonen beteiligt. Rundfunk und Fernsehen beruhen gerade darauf, dass eine Streuung der Photonenzahl vernachlässigbar ist.