Von der Kerze zum Laser:Die Physik der Lichtquanten

Jörg WeberInstitut für Angewandte Physik/Halbleiterphysik

Technische Universität Dresden

Was ist Licht?

Wie entsteht Licht?

Anwendungen und offene Fragen

Was ist Licht?

Weisses Licht besteht aus Teilchen, die man mit einem Prisma trennen kann.

Sir Isaac Newton (1642 – 1727)

Spektrum 2Emissionslinien Spektrum

Sonnenlicht

AbsorptionsSpektrumKontinuierliches

Spektrum

warme

Gas-wolkekalte

Licht ist eine Welle

Christiaan Huygens(1629-1695)

Robert Hooke (1635 - 1703)

n=βα

sinsin

n Brechzahl

Interferenz - Doppelspaltexperiment

Thomas Young (1773-1829)

Wasserwellen

Interferenz am Doppelspalt

Interferenzexperiment beweist Wellencharakter

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Licht ist eine elektromagnetische Welle

Heinrich Hertz (1857-1894)

elektromagnetische WellenElektromagnetische Welle

λPolarisation

c = 300 000 km/s

c = λ f

Licht

Licht ist elektromagnetische Welle

Isaac Newton

Richard HookChristian HuygensThomas Young 1801Louis Malus, Polarisation 1808Augustin Jean FresnelJoseph Fraunhofer

19. Jahrhundert:

Erklärung der elektromagnetischen Erscheinungen:Michael FaradayJames Clerk MaxwellHeinrich Hertz 1888

WellenvorstellungTeilchenvorstellung

Stand der Physik 1900

Grundsätzliche Theorien bekannt

Wenige Ungereimtheiten

Bessere Experimente werden Lücken füllen

Kerzenlicht

ParaffinC20H42

Wasserdampf Kohlendioxid

sauerstoffarmeZone mit Gas

Glühender RussKohlenstoff, C

1000 °C

Foto NASA

Strahlungsintensität eines heißen Körpers

PaschenLummer ~1900Pringsheim

Modellvorstellung: „schwarzer Körper“

Ultraviolett-Katastrophe in der klassischen Physik

Ultraviolett-Katastrophe

Rayleigh-Jeans-Gesetz

PlanckschesStrahlungs-gesetz

Stra

hlun

gsin

tens

ität

sich

tbar

Wellenlänge Å

Beginn der QuantenmechanikMax Planck

E = h f

Planck‘sches Wirkungsquantum

FrequenzEnergie

h = 6.627 × 10-34 Js

Über einen die Erzeugungund Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen GesichtspunktAnnalen der Physik 1905

Auch die elektromagnetische Strahlung ist quantisiert,

die Strahlungsenergie ist nur in Energieportionen zu haben mit der kleinsten Portion E = hf.

Die Portionen sind die Lichtteilchen(Lichtquanten = Photonen).

A. Einstein

Photoeffekt

Elek

tron

en

Stro

m

Intensität des Lichts

Frequenz

Ener

gie

der

Elek

tron

enEnergie der Photonen:

E = h f

Planck über Einstein 1913:

“Daß er in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie z.B. mit der Hypothese der Lichtquanten, wird man ihm nicht allzu schwer anrechnen dürfen; denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, läßt sich auch in der exakten Naturwissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.”

Zeit nach der Quantenhypothese von Planck

1905 A. Einstein Erklärung des Photoeffektes durchExistenz von Lichtteilchen (Photon)

1913 N. Bohr Atommodell

1916 A. Sommerfeld Erweiterung des Atommodells

ÄquivalenteFormulierungen der Quanten-mechanik

W. Heisenberg MatrizenmechanikE. Schrödinger WellenmechanikP. Dirac Quanten-Algebra

1925

Absorption

SpontaneEmission

StimulierteEmission

Schema eines LasersLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation

1. lasendes Medium

Festkörper, Gas,...2. (optisches) Pumpen

Licht, anderer Laser, Stösse im Gas,...

3. optischer Resonator

Verstärkung für stimulierte Emission

monochromatisch

gerichtet

kohärent

Emission dauert tc<10-8s:

kohärente Wellenzüge

der Länge lc = tc/c < 1m

weisses Licht nur lc ≈ 1mm

Röntgenstrahlen

Röntgenbeugung

Interferenz mit einzelnen Photonen

Der Doppelspalt

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

Erwin Schrödinger

Gedankenexperimente:Entstehung von verschränkten Systemen

Schrödingers Katze

Quantenphysik widerspricht dem„gesunden Menschenverstand“

Neu: Zufall, Überlagerung, Verschränkung

Für 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 Teilchen

Experiment(ator) entscheidet

Material zum Vortrag:

T. Walther, H. Walther: Was ist Licht? Verlag C.H. Beck

A. Zeilinger: Einsteins Schleier: Verlag GOLDMANN

R. Feynman: QED – Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie.

Verlag Piper

Wikipedia und Ref. im WWW