1.3. Quantenoptik
Wie entsteht Licht? Zu den verbreitetsten Lichtquellen gehören Temperaturstrahler (Sonne, Kerze, ..):
Max Planck hat 1900 eine Formel für die Wärmestrahlung hergeleitet unter der Annahme, dass Licht in Portionen (Quanten) absorbiert und ausgesandt wird. Er war zeitlebens der Ansicht, dass diese Quantisierung nur ein Rechentrick gewesen sei und keine physikalische Grundlage habe.
(Spektrale Energieflussdichte dJ/dλ von der Oberfläche eines schwarzen Körpers als Funktion der Wellenlänge λ. Das Spektrum ist ungefähr jenes einer Glühlampe, d.h. nur ein kleiner Teil ist sichtbares Licht. Das Maximum der Kurve wird durch die Temperatur bestimmt.)
Albert Einstein hat 1905 den Photoeffekt dadurch erklärt, dass Licht aus Quanten besteht. Ein Lichtquantum (Photon) trägt die Energiemenge
E = h·f
f ist die Frequenz des Lichtes und h = 6.626·10-34 Js das Planck'sche Wirkungsquantum (eine Konstante). Ein Photon ultraviolettes Licht hat rund doppelt so viel Energie wie ein Photon Nahes-Infrarot-Licht. UV-Licht kann Sonnenbrand verursachen, sichtbares Licht nicht, weil nur ein UV-Photon genügend Energie hat, eine geeignete chemische Reaktion auszulösen.
Albert Einstein hat 1916 berechnet, dass ein Photon wie ein echtes Teilchen Impuls hat:
p = h/λ
wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Wenn Licht auf eine Fläche prallt, erzeugt es einen Druck. Der Strahlungsdruck des Sonnenlichtes krümmt den Staubschweif von Kometen nach aussen.
Licht hat sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften.
Anwendung: Laser
(Light amplification by stimulated emission of radiation)
Ebenfalls 1916 hat Albert Einstein gezeigt, dass es während der Entstehung von Wärmestrahlung einen Prozess geben muss, den man stimulierte Emission nennt. Dieser Prozess ist das Herz eines Laser-Geräts:
Tritt ein Photon in einen Laserverstärker ein, so wird dieses vervielfältigt. Die entstehenden Photonen haben exakt dieselben Eigenschaften wie das eintretende. Schickt man das Licht mehrmals durch den Verstärker, so bekommmt man eine starke, monochromatische Lichtwelle. Diese Welle lässt sich sehr gut bündeln.
Die modernste Theorie, mit welcher man Lichtquanten beschreibt, heisst Quantenoptik oder noch umfassender Quantenelektrodynamik. Die Quantenelektrodynamik ist sehr genau getestet worden: Man hat noch keine unerklärlichen Diskrepanzen zwischen Experiment und Theorie gefunden. Die Quantenelektrodynamik handelt von Ladungen (v.a. von Elektronen) und den Kräften zwischen ihnen. Die Kräfte werden durch Photonen vermittelt.
Zum Schluss noch ein Zitat von Albert Einstein:
"Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage "Was sind Lichtquanten" nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich..." (aus einem Brief Albert Einsteins an Michele Besso, 1951)
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