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WS 2015 / 16 – Ulrich Hohenester 1. Vorlesung Einführung, photoelektrischer Effekt Welle-Teilchen Dualismus.

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1 WS 2015 / 16 – Ulrich Hohenester 1. Vorlesung Einführung, photoelektrischer Effekt Welle-Teilchen Dualismus

2 Was ist Physik? Physik macht folgende implizite Voraussetzungen:  Es existiert eine erkennbare Wirklichkeit.  Die Wirklichkeit weist erkennbare Regelmäßigkeiten auf „Unter gleichen Umständen geschieht Gleiches“. Die Experimentalphysik versucht, mit Hilfe von planmäßig durchgeführten wissenschaftlichen Versuchen Aussagen qualitativer und quantitativer Art über physikalische Vorgänge zu erhalten. Ein Modell ist ein beschränktes Abbild der Wirklichkeit. Die Modellbildung abstrahiert mit dem Erstellen eines Modells von der Realität, weil diese meist zu komplex ist, um sie genau abzubilden. Dies wird aber auch gar nicht beabsichtigt, vielmehr sollen lediglich die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert werden, die für den zu betrachtenden Prozess bedeutsam sind. Die Aufgabe der theoretischen Physik besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen. Falls dies nicht möglich ist, werden Hypothesen für eine neue Theorie entwickt, die dann experimentell überprüft werden können. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Theorien empirisch überprüfbare Voraussagen ab.

3 Lichtquanten oder Photonen, E = h

4 Lichtquanten oder Photonen Photosynthese Retina

5 Licht trifft auf Metall auf und löst hochenergetische Elektronen heraus Photoelektrischer Effekt

6 Kinetische Energie der Elektronen hängt nur von Lichtfrequenz –nicht aber von Lichtintensität– ab ! Photoelektrischer Effekt

7 Licht wird nur in Portionen von h  absorbiert … Photonen Plancksches Wirkungsquantum h= × Js ~ Teilchencharakter von Licht Photoelektrischer Effekt

8 “Das war eine rein formale Annahme, und ich dachte mir nicht viel dabei, sondern nur eben, dass ich unter allen Umständen, koste es was es wolle, ein positives Resultat herbeiführen wollte.” Max Planck Photonen

9 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...“

10 Strahlteiler

11 50:50 Strahlteiler & einzelne Photonen Entweder man beobachtet ein oder kein Photon !!! An welchem Detektor das Photon beobachtet wird, ist vollkommen zufällig !!! ist vollkommen zufällig !!!

12 Licht als Welle

13 Ebene Welle, die sich in z-Richtung ausbreitet

14 Licht als Welle Lichtintensität über eine Periode gemittelt Ebene Welle, die sich in z-Richtung ausbreitet

15 Eine komplexe Zahl lässt sich in der komplexen Ebene darstellen Komplexe Ebene

16 Komplexe Konjugation Komplexe Ebene Berechnen Sie

17 Lichtwelle (komplexe Ebene) Ebene Welle, die sich in z-Richtung ausbreitet Intensität der Welle Null nach Integration

18 50:50 Strahlteiler (Wellenbild) Bei der Reflexion am Strahlteiler kommt es zu einem Phasensprung der reflektierten Welle Bestimmen Sie die Intensität der einfallenden, transmittierten und reflektierten Welle

19 Mach-Zehnder Interferometer Betrachten wir zwei hintereinander geschaltete Strahlteiler Bestimmen Sie die Intensitäten an den beiden Detektoren

20 Mach-Zehnder Interferometer Betrachten wir zwei hintereinander geschaltete Strahlteiler

21 Mach-Zehnder Interferometer Was passiert, wenn wir einzelne Photonen durch das Interferometer schicken ? D1 D2 1. Photon wird transmittiert, 50% Wahrscheinlichkeit für Detektion an D1, D2

22 Mach-Zehnder Interferometer Was passiert, wenn wir einzelne Photonen durch das Interferometer schicken ? 1. Photon wird transmittiert, 50% Wahrscheinlichkeit für Detektion an D1, D2 D1 D2 2. Photon wird reflektiert, 50% Wahrscheinlichkeit für Detektion an D1, D2

23 Mach-Zehnder Interferometer Was passiert, wenn wir einzelne Photonen durch das Interferometer schicken ? Nur bei der Detektion verhält sich das Photon wie ein Teilchen Dazwischen verhält es sich wie eine Welle

24 „Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden" Niels Bohr und Albert Einstein (1925)

25 Welle-Teilchen Dualismus Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ein Prinzip der Quantenphysik, wonach den Objekten der Quantenphysik gleichermaßen die Eigenschaften von klassischen Wellen wie die von klassischen Teilchen zugeschrieben werden müssen. Klassische Wellen breiten sich im Raum aus. Sie schwächen oder verstärken sich durch Überlagerung und können gleichzeitig an verschiedenen Stellen mit verschiedener Stärke einwirken. Ein klassisches Teilchen kann zu einem Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort anwesend sein. Nur dort wirkt es, aber stets mit seiner gesamten Energie. Beide Eigenschaften scheinen sich gegenseitig zu widersprechen. Trotzdem wurde in mehreren Schlüsselexperimenten für verschiedene Quantenobjekte belegt, dass beide Eigenschaften vorliegen. Es ist daher unmöglich, eine anschauliche, auf klassischen Sichtweisen beruhende Vorstellung zu entwickeln, die dem Welle-Teilchen-Dualismus gerecht wird.


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