Zwei Nachfragen zum Thema Licht

  1. Licht ist seit Maxwell als elektromagnetische Welle erkannt. Nun stellte man fest, daß Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren können. Daher sagt man seitdem: Licht kann auch als Teilchen erscheinen -> das Photon ist geboren.

Also: um eine Eigenschaft des Elektron erklären zu können, dichtet man einfach dem Licht eine Eigenschaft an?
Sehe ich das richtig?


  1. Licht habe ich mir immer als elektrisch-/magnetisches Wechselfeld vorgestellt: Ein sich veränderndes elektrisches Feld bringt ein magnetisches Feld hervor und ein sich veränderndes magnetisches Feld bringt ein elektrisches Feld hervor. So kann man sich prima vorstellen, wie sich Licht ausbreitet.

Ist diese Vorstellung völlig falsch?

Hallo,

  1. Licht ist seit Maxwell als elektromagnetische Welle
    erkannt. Nun stellte man fest, daß Elektronen Lichtenergie nur
    in Quanten absorbieren/emittieren können. Daher sagt man
    seitdem: Licht kann auch als Teilchen erscheinen -> das Photon
    ist geboren.

Also: um eine Eigenschaft des Elektron erklären zu können,
dichtet man einfach dem Licht eine Eigenschaft an?
Sehe ich das richtig?

Im Prinzip ja. Nur dass ich statt „andichten“ schreiben wuerde, dass man sein Modell verfeinert hat.

Die Quantenelektrodynamik beschreibt sowohl den Wellen- als auch den Teilchencharacter des Lichtes sehr gut.

  1. Licht habe ich mir immer als elektrisch-/magnetisches
    Wechselfeld vorgestellt: Ein sich veränderndes elektrisches
    Feld bringt ein magnetisches Feld hervor

Das kann man sich so vorstellen, wobei man aber auch sagen kann, dass jeder Effekt, der ein elektrisches Feld generiert auch gleichzeitig ein magnetisches Feld generiert.
Oder man kann sich vorstellen, dass es ein elektromagnetisches Feld gibt, und man sich bei der Messung des elektrischen bzw. des magnetischen Feldes nur einen Aspekt davon anschaut.

und ein sich
veränderndes magnetisches Feld bringt ein elektrisches Feld
hervor. So kann man sich prima vorstellen, wie sich Licht
ausbreitet.

Ist diese Vorstellung völlig falsch?

Nicht falsch, nur in manchen Faellen verfeinerbar.

Gruesse,
Moritz

Im Prinzip ja

Nachgefragt funktioniert also Quantentheorie so:
Das Elektron hat eine Eigenschaft, die ich mir nicht erklären kann. Deshalb füge ich einfach dem Licht eine Eigenschaft zu, die ich mir zwar auch überhaupt nicht erklären kann, die aber dazu führt, daß keiner mehr was versteht; mit der ich dann aber vor Laien so tun kann, als würde ich was begreifen, was ich nur nicht erklären kann, weil mein Fachgebiet mords toll und richtig mystisch verwegen ist :wink:)

Wen bitteschön bringt denn solch eine Verhaltensweise weiter? Was soll das? Wo ist denn da der Erkenntnisgewinn? Und wo bleibt das Ding mit der exakten Wissenschaft?

Also bevor ich dem armen Licht Eigenschaften andichte, nur weil ich das mit dem Elektron nicht verstehe, bleibt für mich doch lieber Licht eine Welle ohne Photonen …
und das Elektron ein weiter zu untersuchendes Etwas.

Nicht falsch

Gut. Kann man dann sagen, daß sich Licht eben mit grob 300.000 km/s bewegt, weil dieses Hin- und Hergenerieren halt diese Zeit braucht?

Hallo Mr Spock, die Wissenschaftler sind ja keine verschworene Bande. Planck und andere standen damals vor der Ultraviolett-Katastrophe und der Frage, warum Elektronen nicht einfach strahlend in den Atomkern stürzen. Schau doch einfach unter UV-Katastr. und Orbitale+Atom nach. Das wird Dich bestimmt von der Notwendigkeit der Theorien überzeugen. Gruß, eck.

Hi Spocki,

Du sitzt einem tiefen Mißverständnis auf.

Zweien sogar.

Das eine ist, dass Du meinst, die wiss. Modelle wären getreue Abbilder der Wirklichkeit (oder sie sollten es sein). Dem ist aber nicht so. Modelle sind immer falsch - aber manche sind nützlich. In der Wiss. geht es um die Nützlichkeit, d.h., die Modelle müssen möglichst einfach sein und möglicht viele möglichst korrekte und keine falschen Vorhersagen treffen über Größen, die man messen/beobachten kann. That’s it. Alles Weitere ist Philosophie.

Das zweite ist, dass Du meinst, dass die Theorie „festlegt“, dass es Photonen gibt, bzw. dass Licht die Eigenschaft von Photonen hat. Hier siehst Du die Sache irgendwie spiegelverkehrt. Die QED ist ein Modell, welches Vorhersagen über Beobachtungen macht, die wir mit Licht und Elektronen so machen können. Der QED ist vollkommen egal, was Du dir vorstellst, was die real existierende Grundlage ist, welche diese Beobachtungen erzeugt. Es ist unser menschliches Bedürfnis, dahinter ein „Dinge“ oder ein „Etwas“ zu „sehen“, was uns irgendwie vertraut ist. So macht die QED unter bestimmten Bedingungen eben Vorhersagen über Beobachtungen, deren Quantitäten wir zB. als „Impuls“ darstellen können. Sowas haben Gegenstände, das ist unsere Alltagserfahrung. Wellen haben sowas nicht. Unwillkürlich stellen wird uns damit die Ursache der Beobachtungen als Gegenstand/Korpuskel (List_teilchen_) vor. Das ist - übrigens genau wie unsere Vorstellung(!) von der Welle - aber nur eine gedankliche KRÜCKE. Eigentlich besagt die QED nur, dass wir KEINE VORSTELLUNG von der wahren Natur des Lichts haben. Beide einfacheren Modelle (Welle bzw. Teilchen) sind beide FALSCH. Aber unter bestimmten(!) Bedingungen u.U. hilfreich.

Gut. Kann man dann sagen, daß sich Licht eben mit grob 300.000
km/s bewegt, weil dieses Hin- und Hergenerieren halt diese
Zeit braucht?

Nein. Das ist eine Eigenschaft der Raumes. Die Zeit ist wieder so ein Modell, das wir uns aufgrund von Alltagserfahrungen gemacht haben, aber dieses Modell ist auch falsch. Solange wir die Zeit (und davon abgeleitete Größen) benötigen, um Beobachtungen zu beschreiben, behandeln wir noch nicht die Realität, sondern nur unser (falsches) Bild davon.

LG
Jochen

Hi MrSchilling

die böse Ultraviolett-Katastrophe und die strahlend abstürzenden Elektronen sind nicht das Problem, sondern führten ja zu der Erkenntnis, daß Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren können. Mein Problem steckt vielmehr in diesem Satz:
„Da es eine Tatsache ist, daß Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren können, folgt daraus zwangsläufig, daß auch Licht in Quanten vorkommt.“

Und damit wird nun seit 100 Jahren die Welt verrückt gemacht, bishin zu der durchgeknallten Frage, ob Photonen schneller sind als das Licht :wink:)

Hi Jochen,

In der Wiss. geht es um die Nützlichkeit

Ich dachte immer, in der Physik ginge es um die Erkenntnis. Hat sich Einstein jahrelang das Hirn zermartet, nur um nützlich zu sein? Oder wollte er ein klein wenig genauer wissen, was die Welt im Innersten zusammenhält?
Vielleicht verwechsle ich in der Tat Physik mit Philosophie.

Eigentlich besagt die QED nur, dass wir KEINE VORSTELLUNG von der wahren Natur des Lichts haben.

Ich weiß. Aber wissen das auch all die hochgerühmten Physiker, teilweise Nobelpreisträger, die populärwissenschaftlich davon reden, wie verrückt es doch sei, daß Licht sowohl Welle als auch Teilchen ist?

Solange wir die Zeit (und davon abgeleitete Größen) benötigen, um Beobachtungen zu beschreiben, behandeln wir noch nicht die Realität, sondern nur unser (falsches) Bild davon

Auch das weiß ich. Bist du dir aber vollständig im Klaren darüber, was das in letzter Konsequenz eigentlich bedeutet?

Hallo!

Im Prinzip ja

Nachgefragt funktioniert also Quantentheorie so:
Das Elektron hat eine Eigenschaft, die ich mir nicht erklären
kann.

Nein, es ist eine Eigenschaft des Lichts!

Deshalb füge ich einfach dem Licht eine Eigenschaft zu,
die ich mir zwar auch überhaupt nicht erklären kann, die aber
dazu führt, daß keiner mehr was versteht; mit der ich dann
aber vor Laien so tun kann, als würde ich was begreifen, was
ich nur nicht erklären kann, weil mein Fachgebiet mords toll
und richtig mystisch verwegen ist :wink:)

Planck entschuldigte sich selbst für die Einführund des Wirkungsquantums. Zitat: „Ich kann die ganze Prozedur als einen Akt der Verzweiflung charakterisieren, da ich von Natur aus friedlich bin und alle zweifelhaften Abenteuer ablehne.“

Die Beobachtungen machten es einfach nötig, dem Licht eine solche Eigenschaft „anzudichten“, wie Du sagst.

Es ist übrigens nicht nur eine Beobachtung (wie Du hier andeutest), sondern durchaus mehrere:

  1. Fotoeffekt: Die Energie von Fotoelektronen ist umso höher, je höher die Frequenz des eingestrahlten Lichts ist. Ändert man bei gleichbleibender Frequenz die Intensität des Lichts, so erhöht man zwar die Anzahl der ausgelösten Elektronen, jedoch nicht ihre Energie. Ist die Frequenz geringer als ein bestimmter Schwellenwert, so werden überhaupt keine Elektronen ausgelöst. (Unterhalb dieses Schwellenwerts führt auch eine Erhöhung der Intensität nicht zur Auslösung von Elektronen).

  2. Kurzwellige Grenze von Röntgenstrahlung: Die Frequenz von Röntgenstrahlung hat eine kurzwellige Grenze. Erhöht man die Anodenspannung der Röntgenröhre, so erhöht sich auch die Energie der Elektronen. Dies führt dazu, dass sich die kurzwellige Grenze zu noch kürzeren Wellenlängen bzw. höheren Frequenzen verschiebt.

  3. Schwarzer Strahler: Man kann das Spektrum eines schwarzen Strahlers einfach dadurch ausrechnen, dass man sich die Wand aus lauter harmonischen Oszillatoren vorstellt, die elektromagnetische Wellen abstrahlen. Wenn man annimmt, dass jede Frequenz erlaubt ist, dann ergibt die Rechnung, dass die kurzwelligen Spektralanteile viel mehr Energie abstrahlen, als man tatsächlich misst (UV-Katastrophe). Stattdessen misst man eine Frequenz, bei der die Abstrahlung maximal ist. Diese verschiebt sich bei höherer Temperatur (also höherer Teilchenenergie) zu kürzeren Wellenlängen bzw. höheren Frequenzen.

  4. Geiger-Zähler: Gamma-Strahlen sind elektromagnetischen Wellen. Trotzdem lösen sie in einem Geigerzähler stets ein einziges Ereignis aus. Verwedet man zwei Geigerzähler, die direkt nebeneinander angeordnet sind, dann wird stets nur einer von beiden ausgelöst nie (bzw. fast nie) sprechen beide genau gleichzeitig an. Würden sich EM-Wellen genau wie bei Huygens verhalten, dann müssten entweder beide oder keiner von beiden Zählern ansprechen.

  5. Laser: Albert Einstein hat das Plancksche Strahlungsgesetz auf einfache Art unter Annahme der Existenz von Photonen abgeleitet. Diese Arbeit war Grundlage für die Erfindung des Lasers über 50 Jahre später. Der Laser ist eine echte Erfindung. (Damit meine ich ein Gerät, das der Mensch erdacht hat, ohne dafür ein Vorbild in der Natur zu haben. Es gibt recht wenige echte Erfindungen. Das Rad und der elektrische Stromkreis wären andere Beispiele). Die Funktion des Lasers könnte man nicht erklären, wenn man dem Licht keinen Teilchencharakter zuschreiben würde.

  6. Compton-Effekt: Strahlt man Räntgen-Licht auf freie Elektronen, z. B. in einem Metall, so stellt man fest, dass die Frequenz des gestreuten Lichts verändert ist und vom Streuwinkel abhängt, und zwar genau so als würde man den elastischen Stoß von zwei Teilchen betrachten.

  7. Leuchtdiode: Die Frequenz des Lichts, das von einer Leuchtdiode ausgeht ist direkt proportional zur Schwellspannung des pn-Übergangs.

  8. Linienspektren von Atomen.

  9. IR-Sektren von Molekülen.

  10. Elektron-Positron-Annihilation: Wenn ein Elektron auf sein Antiteilchen trifft, werden Gamma-Strahlen ausgesendet. Dabei wird genau eine bestimmte Frequenz emittiert, die über E = hf mit einer Energie verbunden ist, die genau der der Einsteinschen Formel entspricht E = mc².

  11. Mutagene Wirkung von Strahlung: Sichtbares Licht oder langwelligere Strahlung löst in lebenden Zellen keine Mutationen aus - auch dann nicht, wenn man die Intensität um ein Vielfaches erhöht, während schon relativ geringe Strahlungsdosen von UV-, Röntgen- oder Gamma-Strahlung Mutationen auslösen können.

  12. Fotosynthese: Nur Licht bestimmter Wellenlängen kann von Pflanzenzellen genutzt werden um Fotosynthese zu treiben. Die Menge des produzierten Sauerstoffs steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Quantenausbeute.

Reicht es schon oder brauchst Du noch mehr?

All diese Beispiele - so unterschiedlich sie auch sind - lassen sich durch eine einzige Hypothese erklären: Licht besteht aus Photonen, deren Energie proportional zur Frequenz des Lichts ist.

Ohne diese Hypothese kann man vielleicht das eine oder andere Beispiel erklären, aber bestimmt nich alle!

Wissenschaftler sind an und für sich sehr konservative Menschen. Eine bestehende Theorie wird erst dann durch eine neue ersetzt, wenn diese sich tatsächlich als besser erwiesen hat. Und so war das damals um 1900 herum auch - auch wenn Planck (s. o.) viel lieber auf diese haarsträubende Hypothse verzichtet hätte.

Wen bitteschön bringt denn solch eine Verhaltensweise weiter?
Was soll das? Wo ist denn da der Erkenntnisgewinn? Und wo
bleibt das Ding mit der exakten Wissenschaft?

Es gibt wahrscheinlich wenige Gesetze, die präziser sind als E = hf!

Also bevor ich dem armen Licht Eigenschaften andichte, nur
weil ich das mit dem Elektron nicht verstehe, bleibt für mich
doch lieber Licht eine Welle ohne Photonen …

Der Gag ist ja, dass die Photonenhypothese einen ganzen Stall voll Probleme löst. Sherlock Holmes sagt: „Wenn man alles andere ausgeschlossen hat, dann ist das, was übrig bleibt, auch wenn es unwahrscheinlich erscheint, die Wahrheit.“

Bei jedem Paradigmenwechsel ist es so, dass man Altes, Vertrautes aufgeben muss. In einer ähnlichen Situation waren die Zeitgenossen von Kopernikus. Oder von Darwin. Wenn eine Theorie die Wirklichkeit beschreibt, dann ist sie gut. Ästhetische Aspekte dürfen da keine Rolle spielen (in diesem Punkt irrte Einstein!)

Nicht falsch

Gut. Kann man dann sagen, daß sich Licht eben mit grob 300.000
km/s bewegt, weil dieses Hin- und Hergenerieren halt diese
Zeit braucht?

Stark vereinfacht, aber ich denke, man kann das so sehen.

Michael

Huhu,

In der Wiss. geht es um die Nützlichkeit

Vielleicht verwechsle ich in der Tat Physik mit Philosophie.

Jup.

Ich weiß. Aber wissen das auch all die hochgerühmten Physiker,
teilweise Nobelpreisträger, die populärwissenschaftlich davon
reden, wie verrückt es doch sei, daß Licht sowohl Welle als
auch Teilchen ist?

Bitte, du mißverstehst immer noch: Licht ist NICHT sowohl Welle als auch Teilchen! Licht ist WEDER Welle NOCH Teilchen!

Man kann sich nur bestimmte Messungen ganz gut vorstellen, wenn man sich den Gegenstand der Messung unter bestimmten Bedingungen als Welle und unter wieder anderen Bedingungen als Teilchen vorstellt, weil die wesentlichen Eigenschaften, die man Beobachtet, gut vergleichbar sind mit Eigenschaften, die wir von Wellen oder Teilchen kennen.

Auch das weiß ich. Bist du dir aber vollständig im Klaren
darüber, was das in letzter Konsequenz eigentlich bedeutet?

Ich denke schon. Wir müssen einsehen, dass unser Gehirn analytische Fähigkeiten hervorbringt, welche und Eigenschaften der Welt zeigen, die unser Gehirn nicht begreifen kann. Das Wesen der Welt könnte analytisch erfassbar sein, aber es ist wahrscheinlich nicht begreifbar. Und daher denke ich auch, dass und die philosophische Sicht da nicht sehr viel weiterbringt, und die Modelle schlicht perfekte Modelle sind, die alles korrekt vorhersagen können, man aber dass man die Modelle selbst nicht mehr in begreifbarer weise interpretieren kann. So nach dem Motto: Wenn siebeln klautern, dann priemen die Hoggels, und zwar genau proportional zum Wert der Glubs. Das mag sehr, sehr genau stimmen und es mag die Möglichkeit eröffnen, bessere Solarzellen zu bauen oder ganz andere Energiequellen zu erschließen und und und ! - aber ein Bezug zu unserer Erfahrungswelt bleibt uns verborgen.

LG
Jochen

Hallo!

Eigentlich besagt die QED nur, dass wir KEINE VORSTELLUNG von der wahren Natur des Lichts haben.

Ich weiß. Aber wissen das auch all die hochgerühmten Physiker,
teilweise Nobelpreisträger, die populärwissenschaftlich davon
reden, wie verrückt es doch sei, daß Licht sowohl Welle als
auch Teilchen ist?

Oh ja!

Niels Bohr: Wer von der Quantentheorie nicht entsetzt ist, hat sie nicht verstanden.

Richard Feynman: „Newton thought that light was made up of particles, but then it was discovered that it behaves like a wave. Later, however (in the beginning of the twentieth century), it was found that light did indeed sometimes behave like a particle. Historically, the electron, for example, was thought to behave like a particle, and then it was found that in many respects it behaved like a wave. So it really behaves like neither. Now we have given up. We say: `It is like neither.’“

Sir Arthur Eddington: „Wir dachten immer, wenn wir Eins kennen, dann kennen wir auch Zwei, denn Eins und Eins sind Zwei. Jetzt finden wir heraus, daß wir lernen müssen, was und bedeutet.“

Werner Heisenberg: „Ich erinnere mich an viele Diskussionen mit Bohr, die bis spät in die Nacht dauerten und fast in Verzweiflung endeten. Und wenn ich am Ende solcher Diskussionen allein einen Spaziergang im benachbarten Park unternahm, wiederholte ich immer und immer wieder die Frage, ob die Natur wirklich so absurd sein könne, wie sie uns in diesen Atomexperimenten erschien.“

Michael

Hallo Michael,

wieder eine ausgezeichnete Antwort!

Eine klitzekleine Kritik habe ich aber noch:

All diese Beispiele - so unterschiedlich sie auch sind -
lassen sich durch eine einzige Hypothese erklären: Licht
besteht aus Photonen, deren Energie proportional zur Frequenz
des Lichts ist.

Ich würde nicht sagen, dass diese Hypothese notwendig ist. Es ist doch nicht so, dass man davon ausgehen muss, dass Licht aus Photonen besteht, sondern so, dass die Theorie (welche all die tollen genannten Vorhersagen macht), dem Licht unter bestimmten Bedingungen Eigenschaften zuschreibt, die wir als Eigenschaften von Teilchen interpretieren! Das ist IMHO ein bedeutender (philosophischer :wink:) Unterschied, und m.E. auch ein Grund für die Frage des UP.

Noch einen Anmerkung, besonders für den UP:

Unter bestimmten experimentellen Bedingungen verhalten sich auch Schallwellen wie Teilchen. Man nennt sie Phononen. Mal Googeln. Its 'ne ganz spannende Sache.

Noch ein Beispiel, was verdeutlicht, dass es hier immer nur um unsere (menschlichen) Interpretationen geht:

In der Halbleitertechnik hat man es mit fehlenden Elektronen in Atomgittern zu tun. Diese Lücken Verhalten sich genau so, als wären es Elektronen, allerdings mit positiver Ladung. Ein Modell bzw. die Vorstellung, dass da *wirklich* positiv geladene „Teilchen“ umherschwirren ist hilfreich, und die experimentelle Evidenz für die „Existenz“ dieser „Anti-Elektronen-Teilchen“ (ich weiß jetzt nicht - es gibt sicher Unterschiede zu Positronen), ist genauso stark wie die für die „richtigen Elektronen“. Die Modelle funktionieren gut. Unsere Vorstellungen über die Dinge, die diesen Modellen zugrunde liegen, sind das Problem.

LG
Jochen

Hi Michael
und danke für deinen ausführlichen Beitrag.

Nein, es ist eine Eigenschaft des Lichts!

Nein, zunächst einmal ist es eine reine Eigenschaft des Elektrons, Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren zu können. Erst anschließend macht man eine Eigenschaft des Lichtes daraus und befreit sozusagen das Elektron aus seiner Verantwortung. Zwangsläufig?

Es ist übrigens nicht nur eine Beobachtung (wie Du hier andeutest), sondern durchaus mehrere

Und jetzt wird es interessant. Da du da viel mehr Ahnung hast als ich folgende Nachfrage: Sind deine aufgezählten Beispiele wirklich mehrere verschiedene Phänomene oder kann man sie nicht alle im Kern eben auf die Tatsache zurückführen, daß Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren?
Basieren zB der Fotoeffekt, Schwarzer Strahler, Compton-Effekt nicht allesamt genau darauf?
Gibt es mehrere, wirklich unabhängige Beobachtungen ist jeder Zweifel an der Teilchen-These in der Tat vollkommen unangebracht. Aber die müssen dann auch wirklich voneinander unabhängig sein.

Es gibt wahrscheinlich wenige Gesetze, die präziser sind als E = hf!

An E = hf will ich auch gar nicht rütteln. Großer Gott, wer wäre ich???
Ist es nur eine Frage der Betrachtungsweise: Kommt Energie gequantelt vor oder kann Energie nur gequantelt absorbiert/emittiert werden?
Für mich ist das ein großer Unterschied. Meine Probleme sind wohl wirklich eher philosophisch denn physikalisch.

dass die Theorie dem Licht unter bestimmten Bedingungen Eigenschaften zuschreibt, die wir als Eigenschaften von Teilchen interpretieren

Oder wir schreiben den Wechselwirkungspartnern des Lichtes diese Eigenschaft zu. Wieso entlässt man die einfach aus der Verantwortung?
Oder man sagt: da wir noch nicht wissen, was die elektromagnetische Kraft wirklich ist, kommt es uns bei Wechselwirkungen dieser Kraft so vor, als würde Licht als Teilchen auftreten.

Das ist IMHO ein bedeutender (philosophischer :wink:) Unterschied, und m.E. auch ein Grund für die Frage des UP.

Genauso ist es. Dank an dich, Jochen!

Aber was haben diese Herren denn?
Wenn

wir KEINE VORSTELLUNG von der wahren Natur des Lichts haben

ist die Aufregung unnötig. Doch vielmehr verhält es sich doch so, daß die Herren das Licht -wirklich- als Teilchen sehen und sich deswegen so ereifern, nicht wahr?

Oder man sagt: da wir noch nicht wissen, was die
elektromagnetische Kraft wirklich ist, kommt es uns bei
Wechselwirkungen dieser Kraft so vor, als würde Licht als
Teilchen auftreten.

Es ist müßig zu streiten, was die wahren Dinge sind.

Wir erfahren nicht die „Dinge“ selbst, sondern machen nur Beobachtungen, also stellen Wechselwirkungen fest. Was auch immer der wahre Grund für die Wechselwirkungen ist, ja was sogar die Wechselwirkungen selbst wirklich sind, können wir nicht in Erfahrung bringen. Trotzdem können wir ihre Größe quantifizieren, Vorhersagen machen, Technologien entwickeln …

Triviales Beispiel: Farbe. Der Apfel ist rot. „Rot sein“ ist eine Eigenschaft des Apfels. So sieht man das gemeinhin und jeder glaubt, er habe es verstanden. Dabei ist „rot sein“ keine Eigenschaft des Apfels, sondern ein Sinneseindruck. Etwas anders (und nicht mehr oder weniger falsch) betrachtet hat der Apfel die Eigenschaft, elektromagn. Stahlen bestimmter Wellenlängen stärker zu absorbieren als andere. Ups, wo ist die Eigenschaft „Farbe“ hin? Letztlich mag auch das mit den Strahlen genauso „falsch“ sein wie das Konzept der „Farbe“, denn genauso wie „Farbe“ nicht an sich existiert, sondern sich nur durch die Wechselwirkungen (komplex, vom Apfel bis zum Gehirn) ergibt (emergiert), ist das auch für das Licht der Fall: wir haben keinen direkten Zugang zu diesem „Ding“, sondern stellen grundsätzlich nur immer die Wirkungen fest, die sich aus seinen Wechselwirkungen mit anderen „Dingen“ ergeben, die wir ihrerseits nur anhand von Wechselwirkungen… naja, und von KEINEM dieser „Dinger“ können wir wissen, was sie WIRKLICH sind.

LG
Jochen

Mein Problem steckt vielmehr in diesem Satz:
„Da es eine Tatsache ist, daß Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren können, folgt daraus zwangsläufig, daß auch Licht in Quanten vorkommt.“

Howdi MrSpock, „daß auch Licht in Quanten vorkommt.“ Genau für diesen Nachweis hat Einstein den Nobel Preis bekommen. Und „h“ bzw „h-quer“, plancksches Wirkungsquantum, ist eine immer wieder bestätigte Naturkonstante, ohne die soviele Messergebnisse nicht erklärt und sogar voraus berechnet werden können.

Man muß für den Anfang akzeptieren, daß die ganz Großen etwas klüger sind, als wir, damit man überhaupt etwas hinzu lernen kann, um dann von der zunehmend höheren Warte skeptisch und kompetent nachzuhaken.

Ich muss Dir aber danken dafür, daß Du mit deiner Frage so gute Antworten von Michael und Jochen provoziert hast, die diesen Beitrag überflüssig machen, bis auf diesen letzten Absatz. Gruß, eck.

Hallo!

Es ist übrigens nicht nur eine Beobachtung (wie Du hier andeutest), sondern durchaus mehrere

Und jetzt wird es interessant. Da du da viel mehr Ahnung hast
als ich folgende Nachfrage: Sind deine aufgezählten Beispiele
wirklich mehrere verschiedene Phänomene oder kann man sie
nicht alle im Kern eben auf die Tatsache zurückführen, daß
Elektronen Lichtenergie nur in Quanten absorbieren/emittieren?
Basieren zB der Fotoeffekt, Schwarzer Strahler, Compton-Effekt
nicht allesamt genau darauf?

Manche Phänomene sind enger verwandt, als andere, das ist schon richtig. Aber es gibt auch bei den sehr ähnlichen Phänomenen wichtige Unterschiede.

Gibt es mehrere, wirklich unabhängige Beobachtungen ist jeder
Zweifel an der Teilchen-These in der Tat vollkommen
unangebracht. Aber die müssen dann auch wirklich voneinander
unabhängig sein.

Ich weiß jetzt nicht mehr, welche Nummer ich dem Geiger-Zähler gegeben habe, aber das hat mit den Eigenschaften des Elektrons nun wirklich gar nichts zu tun: Beim Gamma-Zerfall entstehen Gamma-Strahlen. Das sind nichts anderes als elektromagnetische Wellen. Wenn es klassische Wellen wären, dann müssten sich diese gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten, eben als „Elementarwelle“. Stelle ich mehrere Detektoren auf, jeder im gleichen Abstand zur Strahlungsquelle, dann müssten nach einem Zerfall alle Detektoren gleichzeitig ansprechen. Tatsächlich tut das aber nur einer. Bei der ausgesandten Strahlung handelt es sich also um etwas lokalisierbares, zählbares.

Es gibt wahrscheinlich wenige Gesetze, die präziser sind als E = hf!

An E = hf will ich auch gar nicht rütteln. Großer Gott, wer
wäre ich???
Ist es nur eine Frage der Betrachtungsweise: Kommt Energie
gequantelt vor oder kann Energie nur gequantelt
absorbiert/emittiert werden?

Danke für diese Präzisierung der Fragestellung. Die Energie - genauer: Die Strahlungsenergie - kommt tatsächlich immer nur gequantelt vor. Man kann einzelne Photonen nachweisen, man kann sie sogar zählen. Das geht nicht nur mit Gammastrahlen (s. Beispiel Geigerzähler), sondern auch mit sichtbaren Licht. Hier nimmt man statt des Geiger-Zählers einen Photomultiplier. http://de.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier

Michael

Hallo Jo!

All diese Beispiele - so unterschiedlich sie auch sind -
lassen sich durch eine einzige Hypothese erklären: Licht
besteht aus Photonen, deren Energie proportional zur Frequenz
des Lichts ist.

Ich würde nicht sagen, dass diese Hypothese notwendig ist. Es
ist doch nicht so, dass man davon ausgehen muss, dass Licht
aus Photonen besteht, sondern so, dass die Theorie (welche all
die tollen genannten Vorhersagen macht), dem Licht unter
bestimmten Bedingungen Eigenschaften zuschreibt, die wir als
Eigenschaften von Teilchen interpretieren! Das ist IMHO ein
bedeutender (philosophischer :wink:) Unterschied, und m.E. auch
ein Grund für die Frage des UP.

Das ist mir schon bewusst. Ich habe extra nochmal nachgelesen, ob ich irgendwo das Wort „Teilchen“ verwendet habe. Wenn ich das getan hätte, dann wäre es ein Versehen gewesen, aber soweit ich es überblicke ist mir das nicht passiert. Wenn ich den Begriff „Photon“ verwende, dann meine ich damit nicht ein klassisches Teilchen, sondern ein Quantenobjekt, mit allen seinen Eigenschaften.

Das Photon hat verschiedene Eigenschaften: Eine Masse (und zwar eine Ruhemasse von 0), eine Energie, einen Impuls, einen Spin, eine Geschwindigkeit, eine Frequenz, eine Wellenlänge, eine Phase, eine Amplitude und eine Polarisation. (Ich hoffe, dass ich keine wesentliche Eigenschaft vergessen habe). Die ersten fünf sind Teilcheneigenschaften, die letzten sechs sind Welleneigenschaften. Die Geschwindigkeit ist beides. Ein Photon ist nur dann ein Photon, wenn es all diese Eigenschaften hat. (Dasselbe gilt auch für alle anderen Quantenobjekte, Elektronen z. B.)

In der Halbleitertechnik hat man es mit fehlenden Elektronen
in Atomgittern zu tun. Diese Lücken Verhalten sich genau so,
als wären es Elektronen, allerdings mit positiver Ladung. Ein
Modell bzw. die Vorstellung, dass da *wirklich* positiv
geladene „Teilchen“ umherschwirren ist hilfreich, und die
experimentelle Evidenz für die „Existenz“ dieser
„Anti-Elektronen-Teilchen“

Man nennt sie „Löcher“.

(ich weiß jetzt nicht - es gibt
sicher Unterschiede zu Positronen)

Bei der Rekombination von Elektron und Loch werden recht geringe Energien frei. Größenordnung: 1 eV. Bei der Annihilation von Elektron und Postitron werden 2 * 511 keV frei, also rund eine Million mal so viel! Außerdem treten Löcher natürlich nur in Festkörpern auf, während Postitronen auch für sich alleine existieren können.

Viel spannender sind nicht die Unterschiede zwischen Löchern und Positronen, sonern ihre Gemeinsamkeiten: „Die Dirac-Gleichung, welche Elektronen beschreibt, hat sowohl Lösungen mit positiver Energie E = + mc² als auch mit negativer Energie E = − mc². Damit stellt sich zunächst die Frage, warum ein Teilchen mit positiver Energie nicht unter Abstrahlung von 2mc² in den Zustand negativer Energie übergeht. Diracs Deutung war, dass alle negativen Energiezustände besetzt sind (Dirac-See). Die Paarbildung ist dann das Anheben eines Teilchens vom negativen in den positiven Energiezustand. Der unbesetzte negative Energiezustand, das Loch, wird als Antiteilchen beobachtbar.“

Zitat von http://de.wikipedia.org/wiki/Antiteilchen

Michael

Richard P. Feynman: QED Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie; Piper 1562:

  1. Photonen, die Teilchen des Lichts

Dies ist die zweite Vorlesung in einer Vortragsreihe über die Quantenelektrodynamik, und da Sie das letzte Mal bestimmt nicht hier waren (denn ich habe den Anwesenden erklärt, daß sie nichts begreifen werden), möchte ich die erste Vorlesung noch einmal kurz zusammenfassen.
Wir haben über das Licht gesprochen und als ersten wichtigen Aspekt festgehalten, daß es aus Teilchen zu bestehen scheint. Wenn nämlich sehr schwaches monochromatisches (einfarbiges) Licht auf einen Detektor trifft, klickt dieser auch bei schwächer werdendem Licht in derselben Lautstärke weiter, nur immer sel¬tener.
Als zweiten wichtigen Aspekt haben wir die partielle Refle¬xion von monochromatischem Licht besprochen. Von den Photo¬nen, die auf eine einzige Grenzfläche auftreffen, werden durch¬schnittlich 4 Prozent reflektiert. Damit stehen wir bereits vor einem unergründlichen Geheimnis, denn es läßt sich nicht vor¬hersagen, welche Photonen zurückprallen und welche das Glas passieren werden. Nehmen wir eine zweite Grenzfläche hinzu, erhalten wir seltsame Ergebnisse: Nicht etwa, wie erwartet, durchweg 8 Prozent; vielmehr kann sich die partielle Reflexion bis auf 16 Prozent erhöhen oder ganz verschwinden, je nach Dicke des Glases.
Nun ließe sich dieses seltsame Phänomen ja bei intensivem Licht noch mit einer Wellentheorie des Lichts erklären. Wie aber erklärte sich dann die gleichbleibende Lautstärke der Detektor¬klicks bei abnehmender Lichtintensität? Die Quantenlektrody¬namik »löst« diesen Wellen-Teilchen-Dualismus zugunsten der Partikel (wie ursprünglich schon Newton). Aber dieser große Fortschritt der Naturwissenschaften kommt die Physik teuer zu stehen: Sie muß sich damit bescheiden, lediglich die Wahrschein¬lichkeit, mit der ein Photon auf einen Detektor auftreffen wird, vorherzusagen, ohne ein befriedigendes Modell über den tatsäch¬lichen Ablauf dieses Geschehens anbieten zu können

Richard P. Feynman: QED Die seltsame Theorie des Lichts und
der Materie; Piper 1562:

  1. Photonen, die Teilchen des Lichts

Dies ist die zweite Vorlesung in einer Vortragsreihe über die
Quantenelektrodynamik, und da Sie das letzte Mal bestimmt
nicht hier waren (denn ich habe den Anwesenden erklärt, daß
sie nichts begreifen werden), möchte ich die erste Vorlesung
noch einmal kurz zusammenfassen.
Wir haben über das Licht gesprochen und als ersten wichtigen
Aspekt festgehalten,

… daß es aus Teilchen zu bestehen scheint.
Wenn nämlich sehr schwaches monochromatisches (einfarbiges)
Licht auf einen Detektor trifft, klickt dieser auch bei
schwächer werdendem Licht in derselben Lautstärke weiter, nur
immer sel¬tener.

Wer solche Anssichten für richtig hält der hat nicht verstanden wie ein Photomultiplier funktioniert und meint dass Licht irgendwie etwas mit Teilchencharakter zu tun hat.

Als zweiten wichtigen Aspekt haben wir die partielle
Refle¬xion von monochromatischem Licht besprochen. Von den
Photo¬nen, die auf eine einzige Grenzfläche auftreffen, werden
durch¬schnittlich 4 Prozent reflektiert. Damit stehen wir
bereits vor einem unergründlichen Geheimnis, denn es läßt sich
nicht vor¬hersagen, welche Photonen zurückprallen und welche
das Glas passieren werden. Nehmen wir eine zweite Grenzfläche
hinzu, erhalten wir seltsame Ergebnisse: Nicht etwa, wie
erwartet, durchweg 8 Prozent; vielmehr kann sich die partielle
Reflexion bis auf 16 Prozent erhöhen oder ganz verschwinden,
je nach Dicke des Glases.

Hier ist es ebenso.
Es werden keine Photonen reflektiert weil es keine gibt.
Warum hängt es wohl mit der Glasdicke zusammen?

Nun ließe sich dieses seltsame Phänomen ja bei intensivem
Licht noch mit einer Wellentheorie des Lichts erklären. Wie
aber erklärte sich dann die gleichbleibende Lautstärke der
Detektor¬klicks bei abnehmender Lichtintensität?

Mensch Leute, die Intensität der Laustärke ist doch das Produkt der Arbeitsweise des Photimultiplier.
Er detektiert ja keine Photonen, er klickt sobald er ein freies Elektron erwischt hat.
Wiki zeigts ganz gut.

Quantenlektrody¬namik »löst« diesen Wellen-Teilchen-Dualismus
zugunsten der Partikel (wie ursprünglich schon Newton). Aber
dieser große Fortschritt der Naturwissenschaften kommt die
Physik teuer zu stehen: Sie muß sich damit bescheiden,
lediglich die Wahrschein¬lichkeit, mit der ein Photon auf
einen Detektor auftreffen wird, vorherzusagen, ohne ein
befriedigendes Modell über den tatsäch¬lichen Ablauf dieses
Geschehens anbieten zu können

Es ist simpel einfach, Licht ist ein ganz simper Vorgang.
Licht ist ein rein mechanischer Vorgang.
Wer an das Hirngespinnst Photon glaubt wird Licht nie verstehen.

Kurt