1.2 Lichtquanten

Der Photoeffekt lässt sich auch an freien Atomen nachweisen. Bestrahlt man freie K-Atome im K-Dampf mit polarisiertem Licht, so muss die Ionisierungsenergie von aufgewendet werden, d.h. es muss Licht mit mindestens der Frequenz verwendet werden. Man beobachtet folgendes:

• die ausgelösten Elektronen haben alle dieselbe Energie

• die ausgelösten Elektronen fliegen etwa in Richtung des -Vektors weg, und nicht in der Einfallsrichtung des Lichtstrahls.

Licht der Energie f gibt also an alle Elektronen die gleiche Energie hf ab.

Mögliche Deutungen dieses Sachverhaltes sind:

1. Die Energie ist in der Welle kontinuierlich verteilt und wird erst beim Auftreffen auf Elektronen in Portionen der Größe hf aufgeteilt.

2. Die Energie des Lichtes ist bereits vorher in Quanten der Größe hf geteilt.

Folgende Überlegung lässt zwischen diesen beiden Möglichkeiten entscheiden:

Ein Lämpchen 4 V / 0,5 A mit dem optischen Wirkungsgrad von strahlt eine Lichtleistung von

aus. Im Abstand von r = 1 m verteilt sich diese Leistung auf eine kugelförmige Wellenfläche der Größe

.

Trifft die Welle auf ein Cs-Atom mit der Fläche , dann erhält dieses Atom den Anteil der Lichtleistung

Zum Ablösen eines Photoelektrons ist eine Energie von etwa nötig. Mit der Leistung P_Cs würde es

dauern, bis das Elektron die nötige Energie angesammelt hätte. Experimentell beobachtet man aber, dass die Photoelektronen sofort, ohne merkliche Verzögerung ausgelöst werden.

Damit ist die obige Möglichkeit a) ausgeschlossen, und es hat sich ein weiterer Punkt ergeben, der zeigt: Der Photoeffekt kann in dem Vorstellungsbild von Licht als elektromagnetischer Welle nicht erklärt werden. Die bisher erkannten Punkte sollen noch einmal zusammengestellt werden:

• Die Auslösung von Photoelektronen zeigt eine Frequenzabhängigkeit, die im Wellenmodell nicht verständlich ist.

• Die Auslösung von Photoelektronen ist unabängig von der Lichtintensität, was nicht in Übereinstimmung mit den Erwartungen nach dem Wellenmodell ist. Die Intensität beeinflusst lediglich die Anzahl der ausgelösten Photoelektronen, nicht aber deren Energie.

• Die Lichtenergie tritt portionsweise, d.h. in Quanten der Größe hf auf, was dem Wellenmodell widerspricht.

Diese Befunde veranlassten Einstein 1905 dazu, eine neue Modellvorstellung des Lichtes zu entwickeln. In seiner Arbeit "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" legte er dazu die Grundlagen:

1. Die Energie geht von einer Lichtquelle in Form von Energieportionen aus, die Lichtquanten oder Photonen genannt werden.

2. Die Photonen besitzen die Energie , wobei f die Frequenz des Lichtes ist. Sie bewegen sich geradlinig mit Lichtgeschwindigkeit von der Lichtquelle weg.

3. Trifft ein Photon ein Atom, so kann dieses Atom sofort die gesamte Energie übernehmen und, wenn ist, ein Elektron emittieren.

4. Die Intensität des Lichtes hängt ab von der Anzahl der Photonen, nicht aber von deren Energie.

Die Photonen sind unteilbare Energieportionen: Lässt man monochromatisches Licht schräg auf eine Glasplatte fallen, dann wird ein Teil des Lichtes reflektiert und ein Teil wird gebrochen und verläuft im Glas weiter. Sowohl der reflektierte als auch der gebrochene Teil behalten die Farbe des einfallenden Lichtes bei, d.h. in allen Teilen ist die Frequenz f gleich. Daraus kann geschlossen werden, dass ein einzelnes Photon der Energie hf nicht geteilt wird; lediglich die Anzahl der einfallenden Photonen teilt sich in reflektierte und transmittierte Photonen auf.

Kann man aus all dem nun den Schluss ziehen, dass die Wellentheorie des Lichts widerlegt ist? Könnten die Photonen nicht die "Lichtkorpuskeln" von Newton sein, und Licht somit einen Teilchenstrom darstellen?

Diese Schlüsse treffen nicht zu:

• Nach wie vor lässt sich die Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz des Lichtes erfolgreich und richtig mit der Wellenvorstellung beschreiben.

• Die Photonen sind zwar unteilbare Energieportionen, aber keine Teilchen im Newton'schen Sinn, wie beim Photoeffekt an freien Atomen zu erkennen ist: Wären Photonen Newton'sche Teilchen, so würden sie Elektronen bevorzugt in Richtung des einfallenden Lichtstrahls freistoßen, nicht aber in der dazu senkrecht stehenden Richtung des -Vektors.

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