Modellvorstellung von Licht

Die moderne (Quanten-) Physik betrachtet Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen, dem sogenannten Photon.

Keines der anschaulichen Modelle Welle oder Teilchen beschreibt das wirkliche Verhalten von Licht bzw. von Elektronen umfassend. [1, Kasten S. 153]

Bei dem Versuch von TAYLOR tritt dabei das Phänomen auf, dass man das Auftreffen der einzelnen Photonen auf einem Photopapier erkennen kann, die Punkte, an denen die Teilchen auftreffen aber entsprechend des Wellenmodells verteilt sind (d.h. Interferenz)!

Photon

Ein Photon (auch Lichtquant, Strahlungsquant oder Energiequant) bezeichnet in der Quantentheorie die kleinsten Energieteilchen elektromagnetischer Strahlung. Die Photonen bilden in der Teilchenphysik eine eigene Familie von Elementarteilchen.

Für die Energie eines Photons gilt $E=h\nu$, wobei $h=6,6261 \cdot 10^{-34} J s$ das Planck'sche Wirkungsquantum und $\nu$ (auch $f$, nicht zu verwechseln mit der Geschwindigkeit $v$!) die Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) des Lichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung (also auch Gammastrahlung, Röntgenstrahlung usw.) ist.

Für den Impuls eines Photons, auch Quantenimpuls $p$ genannt, gilt $p = \frac{h\nu}{c}$, wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Richtung des Impulses ist die Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Nach der speziellen Relativitätstheorie haben Photonen eine Ruhemasse von Null, da sie sich stets mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten oder nicht existieren. Die Teilchen haben ausserdem weder eine elektrische Ladung noch ein magnetisches Moment, da sie sich nicht durch entsprechende Felder ablenken lassen. Die Teilchen besitzen sowohl die Eigenschaften einer Welle, als auch die eines Teilchens. Dies ist als ,,Welle-Teilchen-Dualismus`` bekannt.

Der Begründer der Quantentheorie, MAX PLANCK, stellte die Theorie auf, dass die Materie Energie nicht beliebig, sondern nur in kleinen Portionen (in Quanten) abgeben oder aufnehmen kann.

Als er diese Theorie 1900 erstmals der Fachwelt vorstellte, erkannten weder er noch andere Wissenschaftler seiner Zeit die Tragweite dieser Theorie. Fünf Jahre später griff Albert Einstein diese Idee auf und entwickelte seine Lichtquantenhypothese, u.A. zur Erklärung des photoelektrischen Effekts.

Einen experimentellen Beweis für die Existenz der Photonen lieferte ARTHUR HOLLY COMPTON bei seinen Untersuchungen mit Röntgenstrahlen.

Kohärenz von Licht

Licht, dass gleichphasig, gleich polarisiert (gleiche Raumrichtung der Schwingungsebene) und gleichfrequent schwingt, bezeichnet man als kohärent.

Nur bei annähernd kohärenten Wellen kann man Interferenz beobachten.

Es ist möglich, inkohärentes Licht annähernd kohärent zu machen, indem man es durch Farbfilter, Polarisationsfilter und Blenden schickt. Dabei sinkt die Intensität jedoch enorm ab.