Quantenphysik für Dummies (Für Dummies) (German Edition)

Welle verhalten.
    Nach dieser Vorstellung treffen die Photonen, wenn Licht auf eine Metalloberfläche fällt, auf die freien Elektronen und werden dabei jeweils von einem Elektron absorbiert. Nur wenn die Energie hν des Photons größer als die Austrittsarbeit des Metalls ist, kann das Elektron das Metall verlassen. Es gilt:

    wobei W die Austrittsarbeit des Metalls und E kin die kinetische Energie des emittierten Elektrons ist. Auflösen nach E kin ergibt:

    Man kann diese Gleichung auch mithilfe der Schwellfrequenz ν 0 schreiben:

    Ganz augenscheinlich ist Licht also nicht nur eine Welle; manchmal verhält es sich wie Teilchen, die Photonen. Mit anderen Worten: Licht ist quantisiert.
    Dieses Ergebnis Einsteins war völlig unerwartet, obwohl es auf die früheren Arbeiten Plancks zurückgriff. Licht ist also quantisiert ? Es besteht aus unteilbaren Energieeinheiten? Was kommt als Nächstes?

Streuung von Licht an Elektronen: Der Compton-Effekt
    Einer Welt, die sich immer noch weigerte, sich Licht als Teilchen vorzustellen (siehe den vorhergehenden Abschnitt), versetzte Arthur Compton mit dem nach ihm benannten Effekt den letzten Schlag. Seine Experimente befassten sich mit der Streuung von Photonen an Elektronen, wie Abbildung 1.5 zeigt.
     
    Abbildung 1.5 : Licht fällt auf ein ruhendes Elektron
    Licht mit einer Wellenlänge λ fällt auf ein ruhendes Elektron. Dabei wird es gestreut, wie Abbildung 1.6 zeigt.
     
    Abbildung 1.6 : Photonenstreuung an einem Elektron
    Der klassischen Physik zufolge sollte folgendes passieren: Das Elektron absorbiert das einfallende Licht, beginnt zu schwingen und emittiert es dann wieder mit der ursprünglichen Wellenlänge und mit einer Intensität, die von der Intensität des einfallenden Lichts abhängt. Aber genau dies wurde nicht beobachtet; vielmehr erhöht sich die Wellenlänge um einen Betrag Δλ, den sogenannten Wellenlängenshift . Das gestreute Licht besitzt also eine Wellenlänge λ + Δλ, was mit anderen Worten bedeutet, dass es an Energie verloren hat. Δλ hängt im Übrigen vom Streuwinkel θ ab, nicht aber von der Intensität des einfallenden Lichts.
    Arthur Compton konnte die Ergebnisse seiner Experimente nur erklären, wenn er annahm, dass er es mit zwei Teilchen zu tun hatte, nämlich einem Photon und einem Elektron. Das bedeutet, dass er Licht als einzelne Teilchen behandeln musste, nicht als Welle. Zudem musste er annehmen, dass Photon und Elektron einen elastischen Stoß ausführten, dass also bei dem Stoß sowohl die gesamte kinetische Energie als auch der Gesamtimpuls erhalten blieben.
    Unter der Annahme, dass sowohl das Licht als auch das Elektron Teilchen sind, konnte Compton die folgende Formel für die Erhöhung der Wellenlänge herleiten (wenn man annimmt, dass Licht aus Photonen der Energie hν und des Impulses p = E/c besteht, ist die Ableitung ziemlich einfach):

    wobei h die Plank'sche Konstante, m e die Elektronenmasse, c die Lichtgeschwindigkeit und θ der Streuwinkel sind.
    Manchmal wird diese Gleichung auch wie folgt geschrieben:

    wobei λ c =/m e c die Compton-Wellenlänge eines Elektrons ist (mit= h/2π). Alle Experimente bestätigen diese Gleichungen – in beiden Formen.
    Es soll an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen werden, dass Compton zur Herleitung dieser Gleichung annehmen musste, dass sich Licht wie ein Teilchen verhält, nicht wie eine Welle. Ein weiteres Mal dominierte der Teilchencharakter von Licht über dessen Wellencharakter.

Das Positron als Beweis? Dirac und die Paarerzeugung
    Im Jahr 1928 sagte der Physiker Paul Dirac die Existenz eines positiv geladenen Anti-Elektrons voraus, des sogenannten Positrons . Er arbeitete an einer Erweiterung der sich gerade entwickelnden Quantenphysik durch Kombination mit der Relativitätstheorie zur sogenannten relativistischen Quantenmechanik. Diese Theorie sagte nun, wenn man mit den Vorzeichen plus und minus spielte, die Existenz des Positrons voraus.
    Das war eine kühne Vorhersage: ein Anti-Teilchen des Elektrons? Aber es vergingen nur vier Jahre, bis Physiker das Positron wirklich beobachteten. In der heutigen Zeit können die gut ausgerüsteten Elementarteilchenphysiker viele verschiedene Synchrotrone und andere Teilchenbeschleuniger benutzen, um all die Elementarteilchen zu erzeugen, die sie gerade benötigen; aber im frühen 20. Jahrhundert sah das ganz anders aus.
    Damals mussten die Physiker die kosmische Strahlung als Teilchenquelle benutzen, also die Teilchen und