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Physik-Institut

Welle oder Teilchen?

Ein prominentes neues aber nicht so intuitives Konzept der  Quantenmechanik ist der Welle-Teilchen-Dualismus, laut dem  sich kleine Objekte je nach Kontext eher wie Wellen oder eher wie Teilchen 
verhalten.  Welle und Teilchen sind Konzepte, die uns aus dem Alltag bekannt sind. Jedoch ist typischerweise eindeutig klar, ob ein Objekt mit Wellen  beschrieben werden sollte (z.B. Wasser) oder als Teilchen (z.B. ein Ball).  

Sunlight
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Licht kann sowohl Wellen als auch Teilchencharakter haben.
Bild: Ruth Bründler, UZH

Wellen breiten sich über den Raum aus und können sich überlagern. Schwingungen in Musikinstrumenten sind ein schönes Beispiel dafür. Oft breiten sich Wellen in einem Medium wie Wasser oder Luft aus, aber es gibt es auch Wellen, die kein Medium benötigen, wie elektromagnetische Wellen oder Gravitationswellen.

Teilchen werden durch klare Bahnen beschrieben, zum Beispiel eine Billardkugel, sie können sich in einem Medium oder im Vakuum bewegen.

Quantenmechanische Objekte sind eine neue Art von Objekten, welche sowohl Aspekte von Wellen und Teilchen haben. Anschaulich gezeigt wird das beim Photoeffekt.

Photoeffekt

Als Photoeffekt bezeichnet man das Herauslösen  von Elektronen aus einer Metall- oder Halbleiteroberfläche durch  Bestrahlung. Die Energie der herausgelösten Elektronen ist unabhängig von der Lichtintensität  diese bestimmt nur die Anzahl der herausgelösten Elektronen. Der Effekt konnte von Albert Einstein erklärt werden, wenn das Licht als Teilchen (Photon) betrachtet wird

Photoeffect
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Schematische Darstellung Photoeffekt.
Bild: Ruth Bründler, UZH

 

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Mehr über Photoeffekt

Als Photoeffekt (auch photoelektrischer Effekt) bezeichnet man die Emission von Elektronen, wenn ein Material von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht, getroffen wird. Die emittierten Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet. Experimentell wurde beobachtet, dass Elektronen nur dann freigesetzt werden, wenn das Licht eine bestimmte Frequenz überschreitet – unabhängig von der Intensität des Lichts oder der Dauer der Einstrahlung.

Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zur klassischen Physik. In dieser wird vorausgesagt, dass kontinuierliche Lichtwellen Energie auf Elektronen übertragen. Diese werden dann emittiert, wenn sie genügend Energie angesammelt haben. Eine Änderung der Lichtintensität würde theoretisch die kinetische Energie der emittierten Elektronen verändern und somit zu einer verzögerten Emission bei schwachen Licht führen.

Albert Einstein schloss daraus, dass ein Lichtstrahl aus diskreten Energiepaketen, den sogenannten Lichtquanten (heute Photonen genannt), besteht. Für diese Entdeckung erhielt er 1921 den Nobelpreis.
Er beschrieb den Effekt mit folgender Gleichung

EPhoton = h ⋅ f = Ekin + WA

Dabei ist:
    h: Plancksches Wirkungsquantum
    f: Frequenz des einfallenden Lichts
    EPhoton= h · f: Energie eines einzelnen Photons
    WA: Austrittsarbeit – Mindestenergie, um ein Elektron aus dem Metall zu lösen
    Ekin: kinetische Energie des herausgelösten Elektrons
Nur wenn die Energie des Photons grösser ist als die Austrittsarbeit EPhoton= h · f > WA, wird ein Elektron herausgelöst.

Anwendungen
Der photoelektrische Effekt wird heute in vielen Geräten genutzt, die auf die Erkennung von Licht und die zeitlich genau abgestimmte Emission von Elektronen spezialisiert sind. Er ist auch der Grund dafür, dass sich Raumschiffe aufladen.

Beispiele:

  • Solarzellen: Sie wandeln Lichtenergie direkt in elektrische Energie um, indem sie im Halbleitermaterial Elektronen durch Photonen freisetzen.
  • Lichtsensoren (z. B. Kamerasensoren): Sie erfassen Lichtteilchen und wandeln sie in elektrische Signale zur Bilderzeugung um.
  • Photomultiplier: Mit einem Photomultiplier können beispielsweise schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) durch die Erzeugung eines elektrischen Signals nachgewiesen werden. Das elektrische Signal wird verstärkt, um extrem lichtempfindliche Messungen zu ermöglichen.
  • Lichtschranken/Türöffner: Sie registrieren, wenn Licht durch ein Objekt unterbrochen wird, und lösen dann eine Reaktion aus (z. B. Tür öffnen).

Ausstellung