1. Licht und Strahlung
Photonen (2/4)
Wie sind die Signale zu deuten, die wir in unserem Experiment beobachten? Die vom Zähler registrierten und auf dem Bildschirm des Oszilloskops dargestellten Pulse lassen vermuten, dass Licht vom Empfänger nicht als eine kontinuierliche Welle “gesehen” wird. Vielmehr scheinen es Einzelereignisse zu sein, wie es bei Teilchen der Fall wäre, die in unregelmäßen Abständen eintreffen!
Die Hypothese, Licht besitzt diskrete und somit quantisierte Eigenschaften, wurde erstmals von dem Physiker Max Planck im Jahr 1900 ausgesprochen. Mit der Quantisierung des Lichts konnte er die Helligkeit und die Form des Spektrums schwarzer Körper erklären.
Albert Einstein griff im Jahr 1905 die Quantisierung des Lichts in einem ganz anderen Zusammenhang auf. Er wollte verstehen, auf welche Weise durch Bestrahlung mit Licht Elektronen aus Metalloberflächen ausgelöst werden, was als Photoeffekt bezeichnet wird. Solche Elektronen können zur Messung von Licht genutzt werden. Auf diese Weise sind die Signale unseres Experiments entstanden!
Jeder Puls auf dem Schirm des Oszilloskops geht auf ein Elektron zurück, das von einem Photonen aus der Metalloberfläche des Empfängers ausgelöst wurde. Solche Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet. Sie werden im Empfänger verstärkt und dann als Pulse registriert. Da Elektronen negativ geladen sind, zeigen sie sich als negative Pulse auf dem Schirm des Oszilloskops.
Einstein hatte keinen vergleichbar empfindlichen Lichtempfänger und kein Oszilloskop zur Verfügung. Diese Dinge wurden erst etwa 50 Jahre später erfunden! Er nutzte die Ergebnisse eines anderen Experiments, das in einem Arbeitsblatt (in Vorbereitung) beschrieben ist.
Es gibt weitere physikalische Experimente, deren Ergebnisse die Richtigkeit des Photonenmodells beweisen. Hierzu gehören
- der Compton-Effekt: Röntgen-Strahlung wird an frei beweglichen oder nur schwach gebundenen Elektronen gestreut.
- der Mössbauer-Effekt: γ-Strahlung wird von radioaktiven Atom- kernen emittiert und absorbiert.
Dies sind Schlüsselexperimente der Physik, sie spielen aber für die Beobachtung der Erde aus dem Weltraum keine Rolle.
Andere Themen aus der Optik und Spektroskopie, in denen das Licht seine Photoneneigenschaften zeigt, sind hier wichtiger:
- die oben bereits erwähnte Strahlung schwarzer Körper
- die Absorption und Emission von Spektrallinien durch Atome und Moleküle. Das Spektrum des Sonnenlichts ändert sich auf dem Weg durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche durch Absorption an Bestandteilen der Luft. Beispielsweise werden die schädlichsten UV-Anteile des Sonnenlichts durch die Absorption des Ozons von uns ferngehalten. Solche Effekte werden in Kapitel 4 diskutiert.
Sieht man sich die Erde nicht aus dem Weltraum an, sondern richtet von der Erde aus ein Teleskop in den Himmel, so können gelegentlich schnell wandernde Objekte beobachtet werden: Kometen. In Sonnennähe sind Kometen wegen der starken Strahlung der Sonne mechanisch instabil und verlieren deshalb Staub und Moleküle. Dieses verlorene Material wird als heller Kometenschweif sichtbar.
Manchmal zeigt sich ein doppelter Schweif: der blaue Schweif besteht aus ionisierten Molekülen, der weiße Schweif aus Staubteilchen. Der Komet im Bild oben zeigt beide Schweife sehr deutlich. Die unterschiedliche Orientierung der beiden Schweife geht auf die Photonen des Sonnenlichts zurück: mit ihren Stößen drängen sie die Moleküle von der Sonne weg, was den Photonen mit den weitaus größeren und massereicheren Staubteilchen nicht gelingt!
In einem Arbeitsblatt (in Verbereitung) werden wir diese Schweife weiter untersuchen. Hierfür müssen wir aber die Eigenschaften von Photonen noch genauer kennenlernen.
