Photoeffekt und Photonen als Quantenobjekte
Der äußere Photoeffekt ist ein fundamentales Phänomen in der Quantenphysik. Er beschreibt, wie Elektronen aus der Oberfläche von Festkörpern austreten können, wenn diese mit Licht bestrahlt werden.
Grundlegende Eigenschaften des Photoeffekts:
- Elektronen werden nur bei Licht mit genügend kleiner Wellenlänge hoherFrequenz aus Materialien herausgelöst
- Die Energie der herausgelösten Elektronen hängt von der Frequenz des Lichts ab, nicht von dessen Intensität
- Die Elektronenenergie lässt sich mit der Formel WElektron = hf - WAustritt berechnen
Wichtige Formel: Die Energie eines Photons berechnet sich mit E = h·f, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum 6,626⋅10−34J⋅s und f die Frequenz des Lichts ist.
Bei der Gegenfeldmethode wird durch eine Spannungsquelle ein elektrisches Feld erzeugt, das den herausgelösten Elektronen entgegenwirkt. Je höher die Frequenz des Lichts, desto größer muss die Gegenspannung sein, um den Stromfluss zu unterbinden.
Photonen als Quantenobjekte:
- Licht besteht aus Teilchen Photonen, die sich jedoch wellenartig ausbreiten können
- Die kleinste Energieportion des Lichts ist hf und entspricht einem Photon
- Die Energie eines Photons steigt mit abnehmender Wellenlänge/steigender Frequenz
Der innere Photoeffekt tritt auf, wenn die Energie der Photonen ausreicht, um Elektronen innerhalb des Materials anzuregen, aber nicht, um sie herauszulösen.
Quanteneigenschaften:
- Quantenobjekte erzeugen am Einzelspalt und Doppelspalt Interferenzmuster
- Das Verhalten einzelner Quantenobjekte ist nicht vorhersagbar
- Je mehr Quantenobjekte durch ein Interferenzexperiment laufen, desto deutlicher wird das Interferenzmuster
Schlüsselkonzept: Das Komplementaritätsprinzip besagt, dass Messen und Beobachten gegensätzlich sind. Jede Messung beeinflusst das Quantensystem und muss berücksichtigt werden.
Schrödingers Katze ist ein berühmtes Gedankenexperiment: Eine Katze in einer geschlossenen Box mit einem radioaktiven Atom und Gift kann erst als tot oder lebendig identifiziert werden, wenn man in die Box schaut. Davor befindet sie sich in einer Überlagerung beider Zustände Superpositionsprinzip.
Die Heisenbergsche Unschärferelation auchUnbestimmtheitsrelation besagt, dass Ort und Impuls eines Quantenobjekts nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können:
- Je genauer der Ort bestimmt ist, desto ungenauer ist der Impuls und umgekehrt
- Mathematisch: Δx · Δp ≥ h/4π