Licht sind kleine Teilchen

Präsentation zum Thema: "Licht sind kleine Teilchen"—  Präsentation transkript:

1 Licht sind kleine Teilchen
3: Kann man Atome sehen???? 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung 5. Kernstruktur des Atoms 6. Das Photon Welle und Teilchen Huygens: (19. Jahrh.) Licht ist eine Welle Newton: (18. Jahrh.) Licht sind kleine Teilchen

2 Newton: Teilchen  Reflektion: Einfallswinkel=Ausfallwinkel ABER: Wellen werden auch reflektiert! (Stehende Welle)

3 Newton: Teilchen Newton: Brechung durch Kraft an der Oberfläche  ABER: Wellen können unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit haben

4 Huygens: Welle Huygensches Prinzip: Jede Welle zerlegbar in Überlagerung von Kugelwellen

5 Huygens: Welle Interferenz und Beugung z.B. Thomas Young Doppelspalt (1801)

6 Huygens: Welle z.B. Interferenz an dünnen Schichten:

7 1885 Maxwell Gleichungen 1887 Heinrich Hertz: Elektromagnetische Wellen kann man durch Ladungsbewegung aussenden durch Antenne Auffangen Funkenentladung Sender Induzierte Entladung Empfänger Antenne

8 Maxwell & Hertz Sieg des Wellenbildes?

9 3: Kann man Atome sehen???? 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung 5. Kernstruktur des Atoms 6. Das Photon Welle und Teilchen 6.1. Der photoelektrische Effekt

10 1888 Hallwachs (Schüler von H. Hertz):
positive charge: + Zinc Electrometer Magnesium (UV-light needed) positive Ladung: kein Effekt

11 1888 Hallwachs (Schüler von H. Hertz):
- negative charge: Zinc Electrometer Magnesium (UV-light needed) negative: schnelle Entladung positive Ladung: kein Effekt

12 e- A + - Beobachtung: Strom steigt mit Lichtintensität! e-
1899 J.J. Thomson 1900 Elster & Gütel A - + e- Beobachtung: Strom steigt mit Lichtintensität! classical electrodynamics: oscillating optical light field accelerates electrons E(t) = A sin(2  t) A   Intensity e- Electron energy should depend on light intensity!

13 e- 1900ff Lenard A + - goal: measure kinetic energy 1/2 mv2
1899 J.J. Thomson 1900 Elster & Gütel e- 1900ff Lenard A potential + - 1/2mv 2 > Uqe goal: measure kinetic energy 1/2 mv2

14 monochromatic light A -
1899 J.J. Thomson 1900 Elster & Gütel 1900 Lenard monochromatic light e- e- A - max. electron energy independent of intensity - + I Potential high intensity low intensity max. electron energy depend on frequency!

15 monochromatic light A -
1899 J.J. Thomson 1900 Elster & Gütel 1900 Lenard monochromatic light e- e- A - usefull unit: 1 eV (“Electron Volt”) = J (WS) energy of an electron on a potential of 1 Volt

16 Number of photons  Intensity
Einstein (1905), Annalen der Physik 17, 132: light comes in energy packets (photons) Ephoton= h  kphoton= h  / c Number of photons  Intensity e- h Electron energy depends on light intensity frequency Number of electrons  Intensity Emax= h- eUwork

17 Emax= h- eUwork Millikan (Phys Rev. 7,355 (1916)) h=6.56 10-34J sec
(depends on material) h= J sec within < 1% !! ( J sec) e- - Emax= h- eUwork

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19 Experiment: electron energy: increases with frequency independent of intensity no time delay Nelectrons Intensity minimum frequency Maxwell: independent of frequency E   I time delay for very dim light No Einstein: Emax= h- eUwork Yes! no time delay hmin=eUwork

20 Photoelectric effect: energy and momentum conservation
electron energy Ee= h- Ebinding electron energy Emax= h- eUwork

21 Photoelectric effect: energy and momentum conservation
example: h=99eV Ee= h- Ebinding=75eV ke= kg m/sec kphoton= h  / c = kg m/sec h e- nonrelativistic: photon momentum small ion or solid compensates electron momentum! (Eion=Ee*me/mion) Photon cannot couple to a free electron, second particle needed!

22 Photoelectric effect: energy and momentum conservation
electron ion momentum h e- Photon cannot couple to a free electron, second particle needed! 99 eV, linear polarized  + He -> He1+ + e-

23 h e- Where do the momenta come from?? photon: No! acceleration: No!

24 Direction of photoelectrons:
changes directions, looses energy

25 ? Direction of photoelectrons: e-  h compare: Hertzian Oscillator
85 eV, linear polarized  + He -> He1+(1s) + e-  ? number of electrons  sin2() Not always true! HOT TOPIC TODAY! compare: Hertzian Oscillator electrons intensity of radiation

26 but ...: super high intensities
Einstein: forbidden Energy e- minimum frequency: h = Ebinding Ebind Laser: but ...: super high intensities example: h = 1.5 eV << Ebind = 24 eV h e- not linear with intensity! I7

27 3: Kann man Atome sehen???? 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung 5. Kernstruktur des Atoms 6. Das Photon Welle und Teilchen 6.1. Der photoelektrische Effekt 6.2. Hohlraumstrahlung Schwarzer Körper: Absorbtionsvermögen 1 Prototyp: Kiste mit kleiner Öffnung

28 Sonst könnte man ein Perpetuum Mobile bauen Absorbtion & Emission im Gleichgewicht Strahlung isotrop Strahlung homogen Daher spielt die Struktur der Wand keine Rolle!

29 Harmonische Oszillatoren (schwingende Ladungen)
Thermisches Gleichgewicht Zwischen Absorbtion und Emission Thermisch besetzter Oszillator 1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell -> Spektrale Energiedichte Energie/Volumen = 8/c3 kT 2 d = 8 kT / 4 d Ultraviolett Katastrophe Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt

30 Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt Plancksches Strahlungsgesetz ehv verhindert die UV Katastrophe Planck: fitted die Kurve Später Ableitung

31 Plancksches Strahlungsgesetz
Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt                                                         Gesamtinensität  T4 Stefan Boltzmann Gesetz Wiensches Verschiebungsgesetz: max*T=const -> Abstrahlung Isolation!

32 Harmonische Oszillatoren
(schwingende Ladungen) Thermisches Gleichgewicht Zwischen Absorbtion und Emission Thermisch besetzter Oszillator 1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh  diskret Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum= Js

33 Energie Planck: Diskret, Abstand h  Klassisch: kontinuierlich

34 Die Geburtsstunde der Quantenmechanik
14. Dezember 1900 Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum„ Von Max Planck "Kurz zusammengefasst kann ich die ganze Tat als einen Akt der Verzweiflung bezeichnen. Denn von Natur bin ich friedlich und bedenklichen Abenteuern abgeneigt."

35 quantized oscillators in the walls: Eresonator = nh 
Planck: black body radiation: quantized oscillators in the walls: Eresonator = nh  Einstein: radiation itself is quantized Ephoton = h 

36 That he may have sometimes missed the target in his speculations,
“Summing up, we may say that there is hardly one among the great problems, in which modern physics is so rich, to which Einstein has not made an important contribution. That he may have sometimes missed the target in his speculations, as, for example, in his hypothesis of light quanta (photons), cannot really be held too much against him, for it is not possible to introduce fundamentally new ideas, even in the most exact science, without occasionally taking a risk.” Max Planck praising Einstein in 1914

37 3: Kann man Atome sehen???? 3.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 3.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 3.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 4. Isotopie und Massenbestimmung 5. Kernstruktur des Atoms 6. Das Photon Welle und Teilchen 6.1. Der photoelektrische Effekt 6.2. Hohlraumstrahlung 6.3. Compton Effekt

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40 Blenden zur Richtungsbestimmung
Graphit Block Hier findet die Compton Streuung statt Energiemessung Durch Braggstreuung Röntgenröhre Nachweis der Strahlung (Ja,Nein)

41 Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz:
Ablenkwinkel d*sin() d Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz: 2d sin() = m * 

42 Ursprüngliche Energie
Niederenergetischere Strahlung winkelabhängig

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44 E‘=h’  E=h p=h/c Elektron in Ruhe  Impuls & Energieerhaltung -’=  = h/m0c (1-cos() “Comptonwellenlänge”

45 1924 Bohr/Kramers/Slater statistische Deutung der Erhaltungssätze
It was in 1924 that I came across the theoretical paper by Bohr, Kramers, and Slater, which had just been published and which suggested a possible interpretation of the wave-particle dualism in the accepted description of the properties of light. This must be understood to mean the experimental fact that light of all wavelengths behaves as a wave process (interference) with pure propagation, but behaves as particles (light quanta: photo-effect, Compton effect) on conversion into other types of energy. The new idea consisted in denying strict validity to the energy-impulse law. In the individual or elementary process, so long as only a single act of emission was involved, the laws of conservation were held to be statistically satisfied only, to become valid for a macroscopic totality of a very large number of elementary processes only, so that there was no conflict with the available empirical evidence. It was immediately obvious that this question would have to be decided experimentally, before definite progress could be made. 1924 Bohr/Kramers/Slater statistische Deutung der Erhaltungssätze 1924/1925 Experiment: Bothe, Geiger Koinzidenzexperiment

46 Geiger zähler  Geiger zähler 
1924/1925 Experiment: Bothe, Geiger Koinzidenzexperiment In this way we succeeded after a few failures to establish the accuracy of any temporal "coincidence" between the two pointer readings as being 10-4 sec. Film consumption however was so enormous that our laboratory with the film strips strung up for drying sometimes resembled an industrial laundry. Geiger zähler Electrometer  Geiger zähler 

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48 different slit width (Slit1)

49 E‘=h’  E=h p=h/c Elektron in Ruhe  -’=  = h/m0c (1-cos()

50 Die Impulsverteilung der Elektronen im Atom heißt bis heute “Comptonprofil”

51 wenn gegen Gravitation
Eigenschaften des Photons Energie: E = h  Impuls p=h/c Masse m=E/c2 = h /c2 Ruhemasse m0=0 Drehimpuls sph=h Comptonstreuung Rotverschiebung wenn gegen Gravitation

52 Eigenschaften des Photons Energie: E = h  Impuls p=h/c
Masse m=E/c2 = h /c2 Ruhemasse m0=0 Drehimpuls sph=h zirkularpolarisiertes Licht Photonendrehimpuls +- h linear polarisiertes Licht Drehimpuls gleichwahrscheinlich in oder gegen Ausbreitungsrichtung

53 Teilchenbild erklärt: Photoelektrischen Effekt Hohlraumstrahlung
Comptoneffekt Was ist mit Beugung und Doppelspaltinterferenz? Erwartung für Teilchen: Schatten!

54 Thomas Young Doppelspalt (1801) Was beobachtet man?

55 auf einzelne Photonen/sec Helligkeitschwankungen
Einzelphotonen- detektor Reduziere Intensität auf einzelne Photonen/sec Helligkeitschwankungen

56 Verbindung Teilchen-Welle:
Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h ) Ebene Welle: Elektrische Feldstärke  cos(/2 t) Intensität  E2 Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden  Quadrat der Amplitude

57 Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen
Intensität  E2 Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen Fragen: Wenn nur 1 Teilchen unterwegs ist, was interferiert da? Zurückverfolgen der Photonen: durch welchen Schlitz? Wie kommen die Photonen in den Schatten? Impulserhaltung: wo kommt der Tranversalimpuls her?