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:
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.
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.
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 
f. Der Proportionalitätsfaktor
heißt nach einem weiteren berühmten Physiker Planck'sches Wirkungsquantum.
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.