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Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:58:33Z

Lukas.Böhringer: /* Wellentheorie */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( [http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm: Elementarwellen] ) ausgehen. Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik: Wikipedia Quantenphysik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell: Wikipedia James Clerk Maxwell]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment: Wikipedia Doppelspaltexperiment]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle: Wikipedia Materiewelle]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Fotoeffekt: Wikipedia Photoeffekt]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle-Teilchen-Dualismus: Wikipedia Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.quantenphysik-schule.de/doppelspalt.htm: quantenphysik-schule Der Doppeltspalt]
*[http://www.viele-welten.de/Quanten/VWT2.htm: Multiversum]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtquantenhypothese: Wikipedia Quantenhypothese]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/simulationen/08ref_brech/huygens.htm: LEIFI Huygenssches Prinzip]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/grundwissen/09lichtteilchen/lichtteilchen.htm: LEIFI Vorstellung vom Licht]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenmechanik: Wikipedia Quantenmechanik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenoptik: Wikipedia Wellenoptik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Huygenssches_Prinzip: Wikipedia Huygenssches Prinzip]
*[http://www.wissenschaft-online.de/page/fe_seiten?article_id=594588: Wissenschaft-online Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/materialseiten/07_quanten.htm: LEIFI Eigenschaften von Quantenobjekten]
*[http://www.planet-wissen.de/natur_technik/licht/phaenomen_licht/index.jsp: Planet-Wissen Phänomen Licht]
*[http://www.blog.lilu24.de/wissenschaft/physik-wissenschaft/physik-fur-jedermann-teil-4-was-ist-licht/: Physik für Jedermann: Was ist Licht?]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Licht: Wikipedia Licht]
*Literatur: Sidney Perkowitz "Eine kurze Geschichte des Lichts"

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:58:01Z

Lukas.Böhringer: /* Wellentheorie */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: [http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm: Elementarwellen] ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik: Wikipedia Quantenphysik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell: Wikipedia James Clerk Maxwell]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment: Wikipedia Doppelspaltexperiment]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle: Wikipedia Materiewelle]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Fotoeffekt: Wikipedia Photoeffekt]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle-Teilchen-Dualismus: Wikipedia Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.quantenphysik-schule.de/doppelspalt.htm: quantenphysik-schule Der Doppeltspalt]
*[http://www.viele-welten.de/Quanten/VWT2.htm: Multiversum]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtquantenhypothese: Wikipedia Quantenhypothese]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/simulationen/08ref_brech/huygens.htm: LEIFI Huygenssches Prinzip]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/grundwissen/09lichtteilchen/lichtteilchen.htm: LEIFI Vorstellung vom Licht]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenmechanik: Wikipedia Quantenmechanik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenoptik: Wikipedia Wellenoptik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Huygenssches_Prinzip: Wikipedia Huygenssches Prinzip]
*[http://www.wissenschaft-online.de/page/fe_seiten?article_id=594588: Wissenschaft-online Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/materialseiten/07_quanten.htm: LEIFI Eigenschaften von Quantenobjekten]
*[http://www.planet-wissen.de/natur_technik/licht/phaenomen_licht/index.jsp: Planet-Wissen Phänomen Licht]
*[http://www.blog.lilu24.de/wissenschaft/physik-wissenschaft/physik-fur-jedermann-teil-4-was-ist-licht/: Physik für Jedermann: Was ist Licht?]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Licht: Wikipedia Licht]
*Literatur: Sidney Perkowitz "Eine kurze Geschichte des Lichts"

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:57:34Z

Lukas.Böhringer: /* Wellentheorie */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm: Elementarwellen ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik: Wikipedia Quantenphysik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell: Wikipedia James Clerk Maxwell]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment: Wikipedia Doppelspaltexperiment]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle: Wikipedia Materiewelle]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Fotoeffekt: Wikipedia Photoeffekt]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle-Teilchen-Dualismus: Wikipedia Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.quantenphysik-schule.de/doppelspalt.htm: quantenphysik-schule Der Doppeltspalt]
*[http://www.viele-welten.de/Quanten/VWT2.htm: Multiversum]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtquantenhypothese: Wikipedia Quantenhypothese]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/simulationen/08ref_brech/huygens.htm: LEIFI Huygenssches Prinzip]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/grundwissen/09lichtteilchen/lichtteilchen.htm: LEIFI Vorstellung vom Licht]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenmechanik: Wikipedia Quantenmechanik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenoptik: Wikipedia Wellenoptik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Huygenssches_Prinzip: Wikipedia Huygenssches Prinzip]
*[http://www.wissenschaft-online.de/page/fe_seiten?article_id=594588: Wissenschaft-online Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/materialseiten/07_quanten.htm: LEIFI Eigenschaften von Quantenobjekten]
*[http://www.planet-wissen.de/natur_technik/licht/phaenomen_licht/index.jsp: Planet-Wissen Phänomen Licht]
*[http://www.blog.lilu24.de/wissenschaft/physik-wissenschaft/physik-fur-jedermann-teil-4-was-ist-licht/: Physik für Jedermann: Was ist Licht?]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Licht: Wikipedia Licht]
*Literatur: Sidney Perkowitz "Eine kurze Geschichte des Lichts"

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:53:12Z

Lukas.Böhringer: /* Links */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik: Wikipedia Quantenphysik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell: Wikipedia James Clerk Maxwell]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment: Wikipedia Doppelspaltexperiment]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle: Wikipedia Materiewelle]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Fotoeffekt: Wikipedia Photoeffekt]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle-Teilchen-Dualismus: Wikipedia Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.quantenphysik-schule.de/doppelspalt.htm: quantenphysik-schule Der Doppeltspalt]
*[http://www.viele-welten.de/Quanten/VWT2.htm: Multiversum]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtquantenhypothese: Wikipedia Quantenhypothese]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/simulationen/08ref_brech/huygens.htm: LEIFI Huygenssches Prinzip]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph10_g8/grundwissen/09lichtteilchen/lichtteilchen.htm: LEIFI Vorstellung vom Licht]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenmechanik: Wikipedia Quantenmechanik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenoptik: Wikipedia Wellenoptik]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Huygenssches_Prinzip: Wikipedia Huygenssches Prinzip]
*[http://www.wissenschaft-online.de/page/fe_seiten?article_id=594588: Wissenschaft-online Welle-Teilchen-Dualismus]
*[http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/materialseiten/07_quanten.htm: LEIFI Eigenschaften von Quantenobjekten]
*[http://www.planet-wissen.de/natur_technik/licht/phaenomen_licht/index.jsp: Planet-Wissen Phänomen Licht]
*[http://www.blog.lilu24.de/wissenschaft/physik-wissenschaft/physik-fur-jedermann-teil-4-was-ist-licht/: Physik für Jedermann: Was ist Licht?]
*[http://de.wikipedia.org/wiki/Licht: Wikipedia Licht]
*Literatur: Sidney Perkowitz "Eine kurze Geschichte des Lichts"

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:38:18Z

Lukas.Böhringer: /* Links */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik: Wikipedia Quantenphysik]

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:37:14Z

Lukas.Böhringer: /* Lichttheorie des 20. Jahrhunderts */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

==Links==

*[http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik]

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:30:34Z

Lukas.Böhringer: /* Die Theorien - Versuche */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>Epot = e \cdot U_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:27:06Z

Lukas.Böhringer: /* Lichttheorie des 20. Jahrhunderts */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>E_pot = e\cdotU_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

<math>\Rightarrow</math> Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:26:24Z

Lukas.Böhringer: /* Die Theorien - Versuche */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>E_pot = e\cdotU_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png|thumb]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>\Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

/Rightarrow Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:25:37Z

Lukas.Böhringer: /* Die Theorien - Versuche */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit <math>W</math> aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>E_pot = e\cdotU_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
<math>/Rightarrow</math> Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

/Rightarrow Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:17:42Z

Lukas.Böhringer: /* Was ist Licht? */

==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

==Teilchentheorie==

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

==Wellentheorie==

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

==Die Theorien - Versuche==

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit W aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>E_pot = e\cdotU_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
/Rightarrow Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

==Lichttheorie des 20. Jahrhunderts==

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

/Rightarrow Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Geschichte des Lichts

2013-06-11T01:15:48Z

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==Was ist Licht?==

Mit dieser Frage beschäftigten sich die Menschen schon seit Anbeginn der Zeit. In der Antike war der Glaube verbreitet, dass Lichtstrahlen von den Augen ausgehen und beim Sehvorgang die Umgebung abtasten, oder dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Doch wie genau bewegt sich Licht fort? Um diese Frage zu beantworten musste die Physik einen weiten Weg über die Teilchentheorie und Wellentheorie bis hin zur Quantenmechanik zurücklegen.

;Teilchentheorie

Die Teilchentheorie wurde besonders von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts geprägt und besagt, dass Licht aus winzigen Teilchen, den „Korpuskeln“, besteht. Diese werden geradlinig von leuchtenden Körpern ausgeschleudert, wobei die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig ist. Mit dieser Theorie ließen sich verschiedene Eigenschaften des Lichtes erklären, wie beispielsweise die Farbe von Licht, die aufgrund unterschiedlicher Größen der Teilchen zustande kommt. Aber auch für die Reflexion von Licht gab diese Theorie eine plausible Erklärung. An der Beugung und Brechung fand die Teilchentheorie jedoch ihre Grenzen. Die Brechung versuchte man so zu erklären, dass die Lichtteilchen beim Übergang von einem Medium mit einer bestimmten Dichte in ein anderes Medium verschieden stark angezogen werden und sich dadurch die Flugrichtung ändert. Dadurch entwickelte sich die Vermutung, dass Licht im dichteren Medium schneller fliegt. Trotz einiger Unklarheiten war die Teilchentheorie lange Zeit die favorisierte.

;Wellentheorie

Die Wellentheorie fand ihre Anfänge mit der im Jahr 1650 gemachten Entdeckung von Christiaan Huygens, dass eine wellenförmige Ausbreitung des Lichts Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz plausibel erklären würden. Sein formuliertes „Huygenssches Prinzip“ besagt, dass an jedem Punkt einer beugenden Fläche Kugelwellen ( Elementarwellen ) ausgehen (Vgl.: http://www.walter-fendt.de/ph14d/huygens.htm ). Tritt die Wellenfont in ein anderes Medium ein, so ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Ausbreitungsrichtung. Die Welle wird gebrochen.

[[Datei:Brechung_einer_Welle.png|thumb|Brechung einer Welle]]

Trifft die Welle auf ein Hindernis, so führt dies am Rand des Hindernisses zur Beugung. Am Beispiel eines Spaltes ist dies deutlich zu erkennen.

[[Datei:Beugung_einer_Welle.png|thumb|Beugung einer Welle]]

Auch war es Christiaan Huygens logischer, dass Licht eine Welle sein muss, da sich Licht so unglaublich schnell ausbreitet. Doch in der Öffentlichkeit wurde seine Theorie nur belächelt, denn Newtons Einfluss mit seiner Teilchentheorie war einfach zu groß. Erst als Thomas Young im Jahre 1802 die Ergebnisse seines neuen Versuches, dem Doppelspalt Experiment, präsentierte fand die Wellentheorie größeren Anklang in der Gesellschaft. Denn mit dem Beweis, dass Interferenz eine Eigenschaft des Lichts ist, die sich nicht mit der Teilchentheorie erklären lässt, erschien die Wellentheorie plausibler. Der endgültige Durchbruch der Wellentheorie geschah im Jahre 1873 als James Clerk Maxwell das Licht als elektromagnetische Welle bezeichnete. Als Trägermedium wurde der so genannte Äther herangezogen, der überall vorhanden sein soll. Allerdings wurde mit dem Michelsen-Morley-Experiment (1881) die Existenz des Äthers widerlegt. Einige Zeit später bestätigte Heinrich Hertz die elektromagnetische Theorie des Lichts mithilfe verschiedener Experimente.

;Die Theorien - Versuche

Um die Richtigkeit der Theorien zu überprüfen müssen verschiedene Experimente durchgeführt werden und diese in Einklang mit einer der Theorien gebracht werden. Besonders gut geeignet sind hierfür der Doppelspaltversuch sowie die Gegenfeldmethode.
Die nachgewiesene Interferenz von Licht mithilfe des [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]] belegt die Wellentheorie, da ein aus Teilchen bestehendes Licht keine Interferenzerscheinungen bilden würde. Ganz anders sieht es jedoch bei der Gegenfeldmethode aus!

;Gegenfeldmethode

;Aufbau:

[[Datei:Gegenfeldmethode.png|thumb|Aufbau Gegenfeldmethode]]

Das Licht einer Quecksilberdampflampe strahlt durch einen Interferenzfilter auf eine Photokathode. Dadurch wird ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert der auf die Kathode trifft. Zwischen Auffanganode und Photokathode wird über eine Spannungsquelle eine Spannung angelegt.

Schaltet man die Lampe nun an werden Elektronen aus der Kathode ausgeschlagen, welche sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zur Anode bewegen und in diese eintreten. Jetzt legt man eine Gegenspannung <math>U_0</math> an, damit die Elektronen nicht nur die Austrittsarbeit W aus der Kathode verrichten müssen, sondern zusätzlich das erzeugte elektrische Feld überwinden müssen. Die Gegenspannung wird so lange erhöht bis keine Elektronen mehr an der Anode ankommen. Mit der ermittelten Spannung kann nun die maximale kinetische Energie der Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode berechnet werden: <math>E_pot = e\cdotU_0</math> Dies kann man nun für verschiedene Frequenzen durchführen, als Ergebnis erhält man folgendes Diagramm, und damit die Bestätigung dass die übertragene Energiemenge eines Lichtteilchens nur von der Frequenz abhängig ist, und nicht von der Intensität („Amplitude“). Das heißt nicht jeder Frequenzbereich des Lichts kann den Fotoeffekt hervorrufen.

[[Datei:Fotoeffekt.png]]

Folgende Beobachtungen können gemacht werden:
* Die kinetische Energie der Elektronen ist nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Wellenlänge bzw. Frequenz abhängig
* Die kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes
* Die Elektronen werden nur wenige Nanosekunden nach Einschalten des Lichtes aus der Kathode ausgeschlagen
/Rightarrow Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit

Anhand dieses Versuches kann die Teilcheneigenschaft des Lichts nachgewiesen werden. Doch was ist das Licht nun wirklich? Eine Welle oder ein Teilchen?
Licht kann beides sein, sowohl Welle als auch Teilchen, je nach Versuchsaufbau. Dieses unerklärliche Phänomen wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Da Licht nicht mit der klassischen Physik zu erklären war, mussten die Physiker andere Theorien entwickeln.

;Lichttheorie des 20. Jahrhunderts

Da Ende des 19. Jahrhunderts die Richtigkeit der Teilchentheorie und der Wellentheorie in Frage gestellt wurde mussten andere Ansätze gefunden werden. Ein erster Schritt in eine erfolgversprechende Richtung war die um 1900 von Max Planck vorgeschlagene Quantelung der Energie (= Energie“pakete“). Diese bezog sich allerdings erst auf die in Materie enthaltene Energie und nicht auf das Licht. 5 Jahre später forschte Albert Einstein am Fotoeffekt, der darin besteht, dass Licht Elektronen aus Metall herauslösen kann. Der Energiebetrag den ein einzelnes Elektron von dem Lichtstrahl bekommen kann ist jedoch immer der gleiche und proportional zur Frequenz.

/Rightarrow Licht besteht aus „Lichtquanten“

Laut der Quantentheorie ist Licht weder eine Welle noch ein Teilchen, es kann die Eigenschaften beider Formen annehmen.

Datei:Fotoeffekt.png

2013-06-11T01:10:20Z

Lukas.Böhringer: http://www.quantenforum.de/viewtopic.php?t=335

http://www.quantenforum.de/viewtopic.php?t=335

Datei:Gegenfeldmethode.png

2013-06-11T00:49:49Z

Lukas.Böhringer: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/Photoeffekt_gegenfeldmethode_neu.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/Photoeffekt_gegenfeldmethode_neu.svg

Datei:Beugung einer Welle.png

2013-06-11T00:43:17Z

Lukas.Böhringer: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6e/Diffraction_through_Slit.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6e/Diffraction_through_Slit.svg

Datei:Brechung einer Welle.png

2013-06-11T00:38:59Z

Lukas.Böhringer: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Refraction_-_Huygens-Fresnel_principle.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Refraction_-_Huygens-Fresnel_principle.svg

Inhalt Kurs 2013

2013-06-11T00:28:26Z

Lukas.Böhringer: /* Licht */

==Einführung==
*[[Was ist Physik?]]

==Experimentell-induktives Vorgehen am Beispiel einer Schwingung==

*[[Experimentelle Untersuchung einer Schaukel]]
*[[Messunsicherheit und Fehlerrechnung]]
*[[Links zum Physik Nobelpreis 2011]]

*[[Ausflugsziele für Exkursionen]]

==Theoretisch-deduktives Vorgehen am Beispiel der Energie==

Wiederholung und Vertiefung des Wissens aus Klasse 8-11.

* [[Das Konzept der Energie]]
* [[Praktikum: "Wärme": Messung von Entropie- und Energiemengen bei Wasser]]
* [[Aufgaben zum Konzept der Energie]]
* [[Lösungen der Aufgaben zum Konzept der Energie]]

==Mechanische Schwingungen==
[[Bild:Schaukel.jpg|thumb|right|Kinder beim Schaukeln]]
[[Bild:Schwingungen.png|thumb|Mind map zu Schwingungen. ([[Media:Schwingungen.mm|freeplane-Datei)]]]]

* [[Grundbegriffe und Beispiele von Schwingungen]]
:Hier werden anhand von wichtigen Beispielen die zentralen Begriffe einer Schwingung erläutert.
* [[Experimentelle Untersuchung einer Schaukel]]
* [[Energie und Impuls einer mechanischen Schwingung]]
* [[Energiezufuhr bei Schwingungen]]
* [[Lernzirkel: Schwingungen in Natur und Technik]]
* [[Untersuchung einer harmonischen Federschwingung]]
* [[Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit der Zeigerdarstellung]]
* [[Die Bewegungsgesetze einer harmonischen Schwingung]]
* [[Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit einer Differentialgleichung]]
* [[Praktikum: Untersuchung von Schwingungen mit der Differentialgleichung]]
**[[Untersuchung von Schwingungen mit der Differentialgleichung]]
* [[Woran man eine harmonische Schwingung erkennt (Vier gleichwertige Kriterien)]]
* [[Überlagerung von harmonischen Schwingungen]]
* [[Gedämpfte Schwingungen]]

* [[Aufgaben zu Schwingungen]] ([[Aufgaben zu Schwingungen (Lösungen)|Lösungen]])
* [[Links zu mechanischen Schwingungen]]
* [[Klausur Nr1 2st Nr2 st]]

==Mechanische Wellen==
[[Bild:Wellen.png|thumb|Mind map zu Wellen. ([[Media:Wellen.mm|freeplane-Datei)]]]]

* [[Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen]]
* [[Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle]]
* [[Energietransport einer Welle (Intensität)]]
* [[Zeigermodell und Wellengleichung]]
* [[Interferenz]]
* [[Das Huygenssche Prinzip]]
* [[Reflektion und Brechung]]
* [[Beugung an Öffnungen und Hindernissen]]
* [[Dopplereffekt]]
* [[Eigenschwingungen von ausgedehnten Gegenständen ("Stehende Wellen")]]
* [[Aufgaben zu Wellen]]
* [[Links zu Wellen]]

==Grundlagen über Felder==
[[Bild:Felder.png|thumb|Mind map zu Feldern. ([[Media:Felder.mm|freeplane-Datei)]]]]

* [[Lernzirkel: Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)]]
* [[Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)]]
* [[Fern- und Nahwirkungstheorie]]
* [[Feldenergie]]
* [[Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)]]
* [[Graphische Darstellung von Feldern]]
* [[Dipole im Feld]]
* [[Die Feldstärke]]
* [[Ladung als Quellenstärke und der Fluß eines Feldes]]
* [[Praktikum: Äquipotentialflächen messen]]
* [[Das Potential eines Feldes]]
* [[Das Wichtigste über Felder (Zusammenfassung)]]

* [[Aufgaben zu Grundlagen über Felder]]
* [[Lösungen der Aufgaben zu Grundlagen über Felder]]

==Das elektrische Feld==
* [[Das Oszilloskop]]
* [[Der Kondensator]]
* [[Praktikum: Einen Kondensator laden und entladen]]
* [[Die Energie des elektrischen Feldes]]
* [[Materie im elektrischen Feld]]
* [[Aufgaben zum elektrischen Feld]]
* [[Links zur Elektrizitätslehre]]

==Magnetisches Feld==
Mind map zum Magnetfeld. (freeplane-Datei)
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Mind map zum Magnetfeld. (freeplane-Datei)

* [[Felderzeugung durch Magnetisierung (4st)]]
* [[Material im magnetischen Feld (4st)]]
* [[Felderzeugung durch elektrische Ströme]]
** [[Praktikum: Magnetfelder durch elektrische Ströme]]
** [[Die magnetische Feldstärke]]
** [[Messung der magnetischen Ladung (4st)]]
* [[Kraftwirkung auf elektrische Ströme im Magnetfeld]]
** [[Der Halleffekt]]
** [[Ladungen im magnetischen Feld (Lorentzkraft)]]
* [[Aufgaben zum magnetischen Feld]]
** [[Lösungen der Aufgaben zum magnetischen Feld]]
* [[Fragen zur Klausur über Kondensator und Magnetfeld]]
* [[Links zum Magnetfeld]]

==Elektro-Magnetismus==

* [[Das Induktionsgesetz und die magnetische Flussdichte]]
* [[Lernzirkel: Induktion]]
* [[Selbstinduktion]]
* [[Energieübertragung durch Induktion: Lenzsche Regel und Wirbelströme]]
* [[Die Energie des magnetischen Feldes]]
* [[Praktikum: Drahtlose Energieübertragung]]
* [[Die Maxwellschen Gleichungen]]
* [[Aufgaben zum Elektro-Magnetismus]]

*[[Links zum Elektro-Magnetismus]]

==Elektromagnetische Schwingungen und Wellen==
* [[Der elektrische Schwingkreis]]
* [[Mathematische Beschreibung von Schwingkreisen]]
* [[Energiezufuhr bei Schwingkreisen]]
* [[Der Tesla-Transformator]]

* [[Grundbegriffe und Beispiele zu elektromagnetischen Wellen]]
* [[Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen]]
* [[Erzeugung und Empfang von elektromagnetischen Wellen]]
*Versuche mit Mikrowellen
** [[Absorption von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)]]
** [[Reflexion von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)]]
** [[Beugung und Interferenz von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)]]
** [[Brechung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen)]]
** [[Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in Medien]]
* [[Polarisation einer elektromagnetischen Welle]]
* [[Versuche mit dem Mikrowellenherd]]

*[[Aufgaben zu elektromagnetischen Schwingungen und Wellen]]

==Licht==
Mind map zum Licht. (freeplane-Datei)
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Mind map zum Licht. (freeplane-Datei)
* [[Geschichte des Lichts]]

===Die Welleneigenschaften des Lichts===
* [[Messung der Lichtgeschwindigkeit]]
* [[Doppelspaltversuch (Schatten eines Haares)]]
* [[Optische Gitter]]
* [[Der Einfachspaltversuch]]
* [[Interferenz an einer Seifenhaut (dünne Schicht)]]
* [[Berechnung von Intensitäten von Einfachspalt, Doppelspalt und Mehrfachspalt mit Zeigern]]
* [[Die Kohärenz von Licht]]
* [[Polarisation von Licht]]
* [[Brechung von Licht]]
* [[Das Auflösungsvermögen von optischen Geräten]]
* [[Das Michelson Interferometer]]

* [[Aufgaben zum Licht als Welle]]

*[[Links zum Thema Licht]]

==Grundlagen der Quantentheorie==
===Licht als Teilchen===
* [[Der Photoeffekt]]
* [[Umkehrung des Photoeffekts in einer Leuchtdiode (LED)]]
* [[Masse & Impuls von Photonen - Der Compton-Effekt]]

* [[Aufgaben zum Licht als Teilchen]]
**[[Lösungen der Aufgaben zum Licht als Teilchen]]

===Welleneigenschaften von Teilchen===
* [[Materiewellen nach de Broglie]]

===Quantentheorie nach Schrödinger (Wellenfunktion) und Feynman (Pfadintegrale)===
* [[Der Doppelspaltversuch mit Wellen und Teilchen]]
* [[Ein-Teilchen-Experimente]]
* [[Zustandsfunktion, Superpositionsprinzip und Wahrscheinlichkeitsinterpretation beim Doppelspalt (Zeigermodell)]]
* [[Der Quantenradierer]]
* [[Reflektion von Lichtquanten an einem Spiegel]]
* [[Quantentheoretische Untersuchung der geradlinigen Lichtausbreitung]]
* [[Ein Vergleich von klassischer Physik mit Quantenphysik]]
* [[Philosophie Fragen und Interpretationen der Quantentheorie]]
* [[Der Knaller Test]]