EINSTEINs Hypothese zum Licht

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Was ist Licht?

Am Ende des Semesters zu Schwingungen und Wellen würde die Antwort sicher sehr einheitlich ausfallen. Beobachtungen wie Beugung, Brechung und Interferenz, charakterisieren das Licht klar als Welle.

Wie so häufig, ist das Ergebnis von der Zielsetzung, unserem Wissensbestand und der daraus erwachsenden Betrachtungsweise abhängig. Viele der optischen Beobachtungen lassen sich auch anders deuten.

Isaac Newton, der durch seine Forschungen in der Mechanik stark in diesem Gedankengerüst verhaftet war, formulierte eine Teilchenvorstellung des Lichtes.

Damit gelang es ihm, viele der optischen Phänomene zu beschreiben und die Teilchenvorstellung vom Licht setzte sich für einige Jahrzehnte in der Wissenschaft durch. Probleme bei der Beschreibung der Lichtgeschwindigkeit führten dazu, dass sich im 19. Jahrhundert wieder die Wellentheorie des Lichtes durchsetzte.

Das änderte sich erst 1905, als Einstein die Lichtquantentheorie aufstellte. 

Das Photon

Einstein beschreibt darin das Licht als Strom aus Energiepaketen. Diese nennt er Photonen.

  • Ein Photon besitzt die Energie Ephot = h · f Damit ist die Energie eines Photons ausschließlich von der Frequenz des Lichtes abhängig.
  • Wird ein Photon absorbiert, so wird seine Energie vollständig übertragen.
  • Ein Elektron kann nur die Energie eines Photons absorbieren. Damit kann die Energie auch nur in den Portionen der Photonenenergie h·f absorbiert werden.
  • Eine Erhöhung der Intensität des Lichtes führt zu mehr Photonen. Die Energie der einzelnen Photonen ändert sich nicht.

Mit dieser Theorie bzw. Modellvorstellung vom Licht lassen sich sowohl die eingangs genannten optischen Effekte, als auch der Photoeffekt deuten.

Die Vorstellung von Photonen ist nicht unproblematisch. Wir haben festgestellt, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat, dabei aber weder Welle noch Teilchen ist. Eine häufig verwendete Darstellung von Photonen sind „Wellenpakete“ als kurze Abschnitte einer Welle. In ihnen lassen sich die Eigenschaften von Wellen und Teilchen am besten verbinden. 

Je größer die Frequenz des Lichtes, desto größer die kin. Energie der Photoelektronen.

{{E}_{kin}}\,=\,h\,\cdot \,f\,-\,{{E}_{A}}

 

Geschichtliche Entwicklung der Vorstellungen zum Licht:

Die Tabelle gibt nur einen kleinen Ausschnitt zur Entwicklung verschiedener Theorien des Lichtes wieder.

Abgesehen von dem Bibelzitat, stellen die jeweiligen Aussagen von Aristoteles, Huygens, Newton, Fresnel und Einstein den Stand der Wissenschaft in der jeweiligen Zeit dar. Sie sind ein Spiegel der wissenschaftlichen Entwicklung, der Zielsetzungen der Wissenschaftler und ihrer Grenzen.

In der letzten Zeile der Tabelle steht die Quantentheorie von Einstein. Ist die Quantentheorie von Einstein richtig? Sie ist Stand der wissenschaftlichen Erkenntnis. Sie ist groß, sie ist bedeutend und eine herausragende wissenschaftlich Leistung. Aber sie ist, wie alle wissenschaftlichen Erkenntnisse, keine absolute Wahrheit.

Im Rahmen der Aktion „#fürdasWissen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG , hat der Kabarettist Dieter Nuhr einen Beitrag zur Rolle und Bedeutung der Wissenschaft geliefert.

„Wissen bedeutet nicht, dass man sich zu 100% sicher ist, sondern, dass man über genügend Fakten verfügt, um eine begründete Meinung zu haben. Weil viele Menschen beleidigt sind, wenn Wissenschaftler ihre Meinung ändern. Nein, nein, das ist normal. Wissenschaft ist gerade, dass sich die Meinung ändert, wenn sich die Faktenlage ändert. Wissenschaft ist keine Heilslehre, keine Religion, die absolute Wahrheiten verkündet. Wer ständig ruft  ´Folgt der Wissenschaft!´, der hat das offensichtlich nicht begriffen. Wissenschaft weiß nicht alles, sie ist aber die einzige vernünftige Wissensbasis die wir haben. Deshalb ist sie so wichtig!“ //Dieter Nuhr im Rahmen der DFG-Aktion #für das Wissen