Walter Orlov

Obwohl nach allgemeiner Meinung die Anfänge der Quantentheorie mit Max Planck verbunden sind, gibt es eine andere Interpretation der Geschichte, etwa von Prof. Oettel: "Quantum theory not launched by Planck in 1900 but by Einstein in 1905." Es ging um ein neues Teilchen, Photon, deren Existenz Einstein postulierte. Es bildete die Grundlage neuer Theorie. Gibt es sie aber wirklich?..

Wird die Metalloberfläche beleuchtet, können dadurch manche Elektronen Metall verlassen. Die Erscheinung wird "Photoeffekt" genannt. Jedem einzelnen Photon entspricht die Energieeinheit E = hv; dabei sind h Planck-Konstante und v Frequenz des Lichtes. Dringt so ein Photon in das Metall ein, könnte es seine ganze Energie an ein Elektron übergeben. Berücksichtigt man noch die Austrittsarbeit W, ergibt sich dann die kinetische Energie des raus geschlagenen Elektrons: Ekin = hv - W. Und tatsächlich gibt es in dieser Hinsicht ganz gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Für die Deutung des Photoeffektes bekam Einstein 1922 den Nobelpreis für Physik: "für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts".

Aber allein die Annahme, dass ein Photon seine ganze Energie an ein Elektron übergeben kann, erscheint mir nicht realistisch. Periodische elektromagnetische Felder versetzen ein geladenes Teilchen in beschleunigte Bewegung. Dadurch beginnt es selbst zu strahlen, also gibt ein Teil der gerade emfangenden Energie zurück in Umgebung. Deshalb kann ein Photon keinerfalls seine Energie vollständig an ein Elektron übergeben, denn zum Teil wird sie immer verstreut.  

Außerdem ist der Photostrom  in der Sättigung zwar von der Intensität des Lichtes abhängig, aber nicht von dessen Frequenz. Das steht im direkten Widerspruch mit Einsteins Lichtquanten-Hypothese. Bei gleicher Intensität der Strahlung I fällt die Photonenflussdichte mit wachsender Frequenz ab: n = I / hv. Entsprechend sollte dann die Zahl der raus geschlagenen Elektronen auch sinken (im Idealfall nelectron = nphoton). Größere kinetische Energie der Elektronen hat hier keine Bedeutung, denn der Photostrom ist definiert als i = n⋅e (e ist die Ladung eines Elektrons) und durch beschleunigte Spannung werden alle rausgeschlagene Elektronen unabhängig von deren kinetischen Energie und Streuung zur Anode geführt (dadurch erreicht der Photostrom eben die Sättigung). Den Zusammenhang habe ich mit folgender Animation veranschaulicht:

Deshalb ist es zu erwarten, dass die Kennlinien des Photostroms ungefähr so verlaufen würden:

Das ist aber nicht der Fall! – In der Realität darf der Photostrom für verschiedene Frequenzen ungefähr gleich und jedenfalls von der Frequenz des Lichtes nicht abhängig sein. Üblicherweise wird dieser Fakt nicht extra erwähnt, trotzdem sprechen die Kurven für sich:

 


Tutornext, Emission of Electrons

Merkwürdig ist die Tatsache, dass für falsche Deutung des Photoeffekts sehr angesehener Preis erteilt wurde. Die Division wird doch noch in der Grundschule unterrichtet, trotzdem konnte damals keiner im Nobelpreiskomitee einfache arithmetische Aufgabe bewältigen: Die Lichtintensität geteilt durch die Energie einzelnes Photons...

 

 

 

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