Telekolleg Physik Physik, 3.Trimester - Atomphysik

Ein Teilchen namens Photon

In dieser zweiten Sendung zur Atomphysik geht es um die Frage "was ist Licht?". In der Schwingungslehre wurde die Antwort gegeben: "Eine elektromagnetische Welle!" Diese Vorstellung wird durch viele Experimente wie die Lichtbrechung oder die Beugung am optischen Gitter überzeugend belegt. In dieser Sendung wird eine andere Antwort gegeben und ebenfalls mit überzeugenden Experimenten belegt. Wir werden in Zukunft die Doppelnatur des Lichts akzeptieren und je nach Phänomen das Wellen- oder das Teilchenmodell anwenden. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Funktionsweise eines Lasers

Bild aus der Sendung

Das Licht, das ein Laser aussendet, hat besondere Eigenschaften: Es ist einfarbig ("monochromatisch"), in einem feinen Strahl gebündelt und bezogen auf die Beleuchtungsfläche sehr energiereich. Deshalb werden Laser heute in vielfältiger Weise eingesetzt: in der Forschung, bei der Materialprüfung, aber auch bei Produktionsschritten wie Schneiden, Beschriften oder Schweißen. Besonders bekannt sind Anwendungen in der Unterhaltung, z.B. eine Lasershow. Auch in der Medizin finden Laser immer mehr Anwendungen. Die Angst vorm Zahnarzt wird deutlich verringert, wenn man weiß, dass er fast schmerzfrei mit einem feinen Laserstrahl arbeitet. Früher waren Hologramme eine rein künstlerische Anwendung für einen Laser, aber man kann diese Möglichkeit einer echten dreidimensionalen Darstellung auch verwenden, um komplizierte technische Zusammenhänge verständlich zu machen.

Ein Laser nutzt die "stimulierte" Aussendung von Licht bei angeregten Atomen. Bei "angeregten" Atomen sind Hüllenelektron durch Energiezufuhr in höhere Energiestufen angehoben worden. Beim Zurückspringen gibt ein Atom die Energiedifferenz als Lichtwellenpaket mit wohldefinierter Frequenz und Wellenlänge ab. Dieses zufällig freigesetzte Lichtwellenpaket stimuliert nun seinerseits weitere angeregte Atome, ebenfalls wieder in den Grundzustand zu fallen. Alle stimulierten Wellenpakete haben die gleiche Wellenlänge und sie verstärken sich maximal, weil sie in Phase sind. Das Kunstwort "LASER" ist entstanden als Abkürzung einer knappen Erklärung der Funktionsweise: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Bei den bekannten Helium-Neon-Gaslasern werden Neonatome durch Stöße mit Heliumatomen angeregt. Die Energiedifferenz der Neonatome zum Grundzustand bestimmt die markante rote Farbe. Um einen kräftigen Laserstrahl zu erzeugen, sind die beiden Enden der Neonröhre mit Spiegeln versehen. Damit läuft das Laserlicht immer wieder hin und her und verstärkt sich dabei durch weitere stimulierte Emissionen. Einer der Spiegel ist "halbdurchlässig", hier tritt ein Teil des Laserlichts in Form eines roten Strahl aus.


Lichtelektrischer Effekt (Fotoeffekt)

Bild aus der Sendung

Bei der Beschreibung des Laserlichts wird schon deutlich, dass die einzelnen Lichtwellenpakete jeweils eine gleiche, durch die Frequenz definierte Energieportion darstellen. Deshalb ist die Formulierung "Lichtteilchen" durchaus sinnvoll. Der sogenannte Fotoeffekt geht hier noch weiter und lässt eine andere Deutung als "Lichtteilchen" gar nicht mehr zu. Das einfachste Experiment zum Fotoeffekt verwendet eine energiereiche Lichtquelle mit einem hohen Anteil an UV-Licht. Damit wird eine frisch geschmiergelte Zinkplatte bestrahlt, die auf einem negativ geladenen Elektroskop steckt. Ohne Bestrahlung bleibt die Aufladung erhalten, mit UV-Licht verschwindet die negative Ladung. Der "lichtelektrische Effekt" besteht darin, dass Lichtteilchen Elektronen aus einer Metalloberfläche auslösen. Den Fotostrom der ausgelösten Elektronen kann man messen, wenn man vor die Metallfläche ein Gitter setzt und dazwischen ein empfindliches Amperemeter schaltet. Schon eine erste Beobachtung verbietet, die Einstrahlung von Lichtenergie auf die Metallplatte mit einer Wellenvorstellung zu verknüpften: Der Photostrom setzt bei Beleuchtung trägheitslos ein und hört bei Abdunklung sofort auf. Bei einer Welle würde man jeweils Verzögerungen erwarten, weil die eingestrahlte Energie erst eine wirksame Größe über- bzw. unterschreiten müsste.


Modellvorstellung zum Fotoeffekt

Bild aus der Sendung

Albert Einstein ist heute vor allem wegen seiner Relativitätstheorie bekannt. Aber nicht dafür bekam er den Nobelpreis für Physik, sondern für die Deutung des Fotoeffekts. Eine Lichtwelle kann bei bestimmten Experimenten nur als Strahl von einzelnen Wellenpaketen verstanden werden. Damit ist es richtig, von Lichtteilchen oder Photonen zu sprechen. Die der Theorie zugrunde liegenden Experimente werden mit einer hochwertigen Fotozelle durchgeführt, bei der die Metallschicht und eine Ringelektrode in eine evakuierte Röhre eingeschlossen sind. Um die Energie der aus der Metallschicht ausgelösten Elektronen zu ermitteln, wird ab jetzt an die Fotozelle eine Gegenspannung angelegt (Minus an der Ringelektrode, Plus an der Metallschicht). Die Gegenspannung U wird so eingestellt, dass der Fotostrom null ist. Dann ist die elektrische Energie eU gleich der kinetischen Energie der ausgelösten Fotoelektronen.

Die Einstein'sche Deutung des Fotoeffekts sieht so aus: Ein einzelnes eingestrahltes Photon löst mit seiner Energie ein einzelnes Elektron aus der Metallschicht. Der Fotoeffekt setzt deshalb mit Lichtgeschwindigkeit ein und hört genau so schnell wieder auf, wenn keine Photonen auftreffen. Die Energie der Photonen muss mindestens so groß sein, wie die Arbeit WA, um ein Elektron aus dem Metall auszulösen. Das Photon verschwindet dabei, überschüssige Energie erhält das Elektron als kinetische Energie. Die Experimente mit Spektralfarben bestätigen diese Theorie: Je größer die Frequenz (am Diagramm nach rechts aufgetragen), desto größer ist die nötige Gegenspannung U, und damit die kinetische Energie der Fotoelektronen Ekin (nach oben aufgetragen). Die Messgerade schneidet die waagrechte Frequenzachse bei der Frequenz, unterhalb der bei der verwendeten Metallsorte kein Fotoeffekt mehr möglich ist. Die Geradengleichung bestätigt Einsteins Energiegleichung Ekin = EPhoton + WA. Die Energie eines Photons hängt dabei nur von der Frequenz des Lichts ab: EPhoton = h mal f. Der Proportionalitätsfaktor heißt nach einem weiteren berühmten Physiker Planck'sches Wirkungsquantum.


Innerer Fotoeffekt

Bild aus der Sendung

Wenn der Fotoeffekt nicht an der Außenfläche eines Metalls erfolgt, sondern im Inneren eines Festkörpers, dann spricht man vom "inneren" Fotoeffekt. Bei einem Festkörper sind nur die inneren Energieniveaus der Einzelatome isoliert. Die höheren und energiereicheren Schalen überlappen sich, und so können sich die Valenzelektronen im Prinzip frei im gesamten Festkörper bewegen. Weil nun diese höheren Energieniveaus von sehr vielen Valenzelektronen genützt werden und nach quantenmechanischen Regeln jedes Niveau höchstens mit zwei Elektronen besetzt sein darf, werden die höheren Niveaus zu Energiebändern verbreitert. Zwischen je zwei Bändern liegt eine verbotene Energiezone. Für die Frage der elektrischen Leitfähigkeit sind nur die obersten zwei Bänder interessant: das Leitungsband ganz oben und das Valenzband darunter. Sind die Bänder vollständig mit der erlaubten Anzahl von Elektronen besetzt oder ganz frei, dann liegt ein Isolator vor, denn die Elektronen können sich dann nicht bewegen. Für einen Stromfluss ist ein unvollständig gefülltes Band nötig, denn dann können die Elektronen ihre Energie etwas variieren und sich so durch den Festkörper bewegen.

In einem Halbleitermaterial kann die Energielücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband so gering sein, dass die Absorption der Energie eines Photons reicht, um ein Elektron aus dem vollen Valenzband ins wenig besetzte Leitungsband zu heben. Diese Wandlung von Lichtenergie in elektrische Energie nennt man innerer Fotoeffekt. Kraftwerke, die diesen Effekt großflächig ausnützen heißen "Fotovoltaik-Anlagen", eine einzelne Baugruppe heißt Solarzelle. Im Studio werden dazu einige Anwendungen vorgeführt, u.a. ein solarbetriebenes Rennauto, das eine deutsche Solarenergie-Meisterschaft gewonnen hat.


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