Planck-Konstante
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Zwischen 1670 und 1900 diskutierten Wissenschaftler die Natur des Lichts. Einige Wissenschaftler glaubten, dass Licht aus vielen Millionen winziger Teilchen bestand. Andere Wissenschaftler glaubten, dass Licht eine Welle war.
Licht: Wellen oder Teilchen?Edit
1678 schrieb Christiaan Huygens das Buch Traité de la lumiere („Abhandlung über das Licht“). Er glaubte, dass Licht aus Wellen besteht. Er sagte, dass Licht nicht aus Partikeln bestehen könne, da Licht von zwei Strahlen nicht von jedem abprallt other.In 1672 schrieb Isaac Newton das Buch Opticks. Er glaubte, dass Licht aus roten, gelben und blauen Teilchen bestand, die er Korpuskeln nannte. Newton erklärte dies durch sein „Zwei-Prisma-Experiment“. Das erste Prisma zerbrach das Licht in verschiedene Farben. Das zweite Prisma führte diese Farben wieder zu weißem Licht zusammen.
Im 18.Jahrhundert wurde Newtons Theorie die größte Aufmerksamkeit geschenkt. 1803 beschrieb Thomas Young das „Doppelspaltexperiment“. In diesem Experiment stört Licht, das durch zwei schmale Schlitze geht, sich selbst. Dies verursacht ein Muster, das zeigt, dass Licht aus Wellen besteht. Für den Rest des neunzehnten Jahrhunderts wurde der Wellentheorie des Lichts die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. In den 1860er Jahren entwickelte James Clerk Maxwell Gleichungen, die elektromagnetische Strahlung als Wellen beschrieben.Die Theorie der elektromagnetischen Strahlung behandelt Licht, Radiowellen, Mikrowellen und viele andere Arten von Wellen als dasselbe, außer dass sie unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Wellenlänge des Lichts, das wir mit unseren Augen sehen können, liegt ungefähr zwischen 400 und 600 nm. Die Wellenlänge der Radiowellen variiert von 10 m bis 1500 m und die Wellenlänge der Mikrowellen beträgt etwa 2 cm. Im Vakuum bewegen sich alle elektromagnetischen Wellen mit Lichtgeschwindigkeit. Die Frequenz der elektromagnetischen Welle ist gegeben durch:
ν = c λ {\displaystyle \nu ={\frac {c}{\lambda }}}
.
Die Symbole werden hier definiert.
Schwarze Körperstrahlerbearbeiten
Alle warmen Dinge geben Wärmestrahlung ab, die elektromagnetische Strahlung ist. Für die meisten Dinge auf der Erde liegt diese Strahlung im Infrarotbereich, aber etwas sehr Heißes (1000 ° C oder mehr) gibt sichtbare Strahlung ab, dh Licht. In den späten 1800er Jahren untersuchten viele Wissenschaftler die Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung von Schwarzkörperstrahlern bei verschiedenen Temperaturen.
Rayleigh-Jeans LawEdit
. Für langwellige Strahlung entsprachen die durch diese Gleichung vorhergesagten Ergebnisse gut den praktischen Ergebnissen, die in einem Labor erhalten wurden. Für kurze Wellenlängen (ultraviolettes Licht) war der Unterschied zwischen Theorie und Praxis jedoch so groß, dass es den Spitznamen „die ultraviolette Katastrophe“ erhielt.
Plancks LawEdit
1895 veröffentlichte er die Ergebnisse seiner Untersuchungen zur Strahlung eines schwarzen Körpers. Seine Formel war:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 e − h c λ k T {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}e^{-{\frac {hc}{\lambda kT}}}}
. Diese Formel funktionierte gut für kurzwellige elektromagnetische Strahlung, aber nicht gut mit langen Wellenlängen.
1900 veröffentlichte Max Planck die Ergebnisse seiner Studien. Er versuchte, einen Ausdruck für Schwarzkörperstrahlung zu entwickeln, ausgedrückt als Wellenlänge, indem er annahm, dass Strahlung aus kleinen Quanten bestand, und dann zu sehen, was passiert, wenn die Quanten unendlich klein gemacht würden. (Dies ist ein mathematischer Standardansatz). Der Ausdruck war:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 1 e h c λ k T − 1 {\displaystyle B_{\lambda}(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}~{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}
. Wenn man die Wellenlänge des Lichts sehr groß werden lässt, kann man zeigen, dass die Raleigh-Jeans- und die Planck-Beziehung fast identisch sind.
Er berechnete h und k und stellte fest, dass
h = 6,55 ×10-27 erg·sec. k = 1,34 ×10-16 erg·deg-1. Die Werte liegen nahe an den heute akzeptierten Werten von 6,62606 × 10-34 bzw. 1,38065 × 10-16. Das Planck-Gesetz stimmt gut mit den experimentellen Daten überein, aber seine volle Bedeutung wurde erst einige Jahre später erkannt.
Quantentheorie des Lichts
Es stellt sich heraus, dass Elektronen durch den photoelektrischen Effekt verdrängt werden, wenn Licht eine Schwellenfrequenz erreicht. Darunter können keine Elektronen aus dem Metall emittiert werden. 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, in der er den Effekt erklärte. Einstein schlug vor, dass ein Lichtstrahl keine Welle ist, die sich durch den Raum ausbreitet, sondern eine Sammlung diskreter Wellenpakete (Photonen), die jeweils Energie enthalten. Einstein sagte, dass der Effekt darauf zurückzuführen sei, dass ein Photon auf ein Elektron schlage. Dies zeigte die Teilchennatur des Lichts.
Einstein fand auch heraus, dass elektromagnetische Strahlung mit einer langen Wellenlänge keine Wirkung hatte. Einstein sagte, dass dies daran lag, dass die „Teilchen“ nicht genug Energie hatten, um die Elektronen zu stören.
Planck schlug vor, dass die Energie jedes Photons durch die Planck-Konstante mit der Photonenfrequenz in Beziehung steht. Dies könnte mathematisch wie folgt geschrieben werden:
E = h ν = h c λ {\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}
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