2,25 MB pdf-Datei - Physik am Samstag - Technische Universität ...

Von der Kerze zum Laser:Die Physik der LichtquantenJörg WeberInstitut für Angewandte Physik/HalbleiterphysikTechnische Universität DresdenWas ist Licht?Wie entsteht Licht?Anwendungen und offene Fragen

SonnenlichtwarmeGaswolkekalteSpektrum 2EmissionslinienSpektrumKontinuierlichesSpektrumAbsorptionsSpektrum

Licht ist eine WelleChristiaan Huygens(1629-1695)Robert Hooke (1635 - 1703)

sinα= nsin βn Brechzahl

Interferenz - DoppelspaltexperimentThomas Young (1773-1829)Wasserwellen

Interferenz am DoppelspaltInterferenzexperiment beweist Wellencharakter

James Clerk Maxwell (1831-1879)Licht ist eineelektromagnetische WelleHeinrich Hertz (1857-1894)

elektromagnetische WellenElektromagnetische WellePolarisationλc = λ fc = 300 000 km/s

TeilchenvorstellungIsaac NewtonLichtWellenvorstellungRichard HookChristian HuygensThomas Young 1801Louis Malus, Polarisation 1808Augustin Jean FresnelJoseph FraunhoferErklärung der elektromagnetischen Erscheinungen:Michael FaradayJames Clerk MaxwellHeinrich Hertz 188819. Jahrhundert:Licht ist elektromagnetische Welle

Stand der Physik 1900Grundsätzliche Theorien bekanntWenige UngereimtheitenBessere Experimente werden Lücken füllen

KerzenlichtWasserdampfKohlendioxidGlühender RussKohlenstoff, C1000 °CsauerstoffarmeZone mit GasFoto NASAParaffinC 20 H 42

Strahlungsintensität eines heißen KörpersPaschenLummer ~1900PringsheimModellvorstellung:„schwarzer Körper“

Ultraviolett-Katastrophe in der klassischenPhysikStrahlungsintensitätsichtbarUltraviolett-KatastropheRayleigh-Jeans-GesetzPlanckschesStrahlungsgesetzWellenlänge Å

Max PlanckBeginn der QuantenmechanikE = h fEnergieFrequenzPlanck‘schesWirkungsquantumh = 6.627 × 10 -34 Js

Über einen die Erzeugungund Verwandlung des Lichtesbetreffenden heuristischenGesichtspunktAnnalen der Physik 1905Auch die elektromagnetischeStrahlung ist quantisiert,A. Einsteindie Strahlungsenergie ist nur inEnergieportionen zu haben mit derkleinsten Portion E = hf.Die Portionen sind die Lichtteilchen(Lichtquanten = Photonen).

Intensität des LichtsFrequenzEnergie derElektronenElektronenStromPhotoeffektEnergie der Photonen:E = h f

Planck über Einstein 1913:“Daß er in seinen Spekulationen gelegentlich aucheinmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wiez.B. mit der Hypothese der Lichtquanten, wird manihm nicht allzu schwer anrechnen dürfen; denn ohneeinmal ein Risiko zu wagen, läßt sich auch in derexakten Naturwissenschaft keine wirkliche Neuerungeinführen.”

Zeit nach der Quantenhypothese von Planck1905 A. Einstein Erklärung des Photoeffektes durchExistenz von Lichtteilchen (Photon)1913 N. Bohr Atommodell1916 A. Sommerfeld Erweiterung des Atommodells1925W. Heisenberg MatrizenmechanikE. Schrödinger WellenmechanikP. Dirac Quanten-AlgebraÄquivalenteFormulierungender Quantenmechanik

AbsorptionSpontaneEmissionStimulierteEmission

Schema eines LasersLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation1. lasendes MediumFestkörper, Gas,...2. (optisches) PumpenLicht, anderer Laser,Stösse im Gas,...3. optischer ResonatorVerstärkung für stimulierteEmissionmonochromatischgerichtetkohärentEmission dauert t c

Röntgenstrahlen

Röntgenbeugung

Interferenz mit einzelnen Photonen

Der Doppelspalt(Drawing by Chas. Addams; © 1940 The New Yorker Magazine, Inc.)

Erwin SchrödingerGedankenexperimente:Entstehung vonverschränkten SystemenSchrödingers Katze

Quantenphysik widerspricht dem„gesunden Menschenverstand“Neu: Zufall, Überlagerung, VerschränkungFür den Rest meines Lebens will ich nachdenken, was Licht ist.(A. Einstein 1916)Ich denke, ich kann sicher sagen, dass heute niemanddie Quantenphysik versteht.(R. Feynman)

FAZIT:Licht ist Welle und TeilchenExperiment(ator) entscheidetMaterial zum Vortrag:T. Walther, H. Walther: Was ist Licht? Verlag C.H. BeckA. Zeilinger: Einsteins Schleier: Verlag GOLDMANNR. Feynman: QED – Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie.Verlag PiperWikipedia und Ref. im WWW