Der Welle-Teilchen-Dualismus
Denkbar
https://www.youtube.com/watch?v=pQfDzOgoU9M

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Ich begrüße euch zu einem neuen Themenvideo. Heute möchte ich mit euch den Welle Teilchen Dualismus besprechen und das ist wirklich eine ganz große
0:09 Nummer in der Physik. Um sich das klar zu machen, muss man Gedanken von Albert Einstein verstehen, für die er damals seinen Nobelpreis bekommen hat. Den hat
0:19 er nämlich für die Erklärung des fotoelektrischen Effekts bekommen und nicht wie viele annehmen für die Erklärung der Relativitätstheorie.
0:26 Und das macht das Ganze wirklich sehr spannend. Außerdem lässt es uns auch einige Alltagsfragen beantworten. Wenn wir uns beispielsweise vorstellen, zwei
0:37 Personen sitzen in der Sonne, eine Person hinter einer Glasscheibe, dann werden wir feststellen, dass nur die Person, die direkt von der Sonne
0:45 bestrahlt wird, eine bräunliche Farbe bekommt, also schön braun wird und die andere Person nicht. Und um das zu erklären, dafür brauchen wir Albert
0:54 Einstein. Und die Frage, die hinter allem steckt, zumindest für unsere Betrachtung jetzt hier, ist, was ist Licht? Und diese
1:04 Frage hat wirklich viele Köpfe lange Zeit beschäftigt und für so viele Kontroversen gesorgt, das ist ja schon gar nicht mehr auszuhalten. Wenn wir uns
1:12 den Zeitstrahl physikalischer Erkenntnis mal anschauen in Bezug auf Licht und ich werde dabei im 17. Jahrhundert anfangen, dann gab es
1:20 zwei große Strömungen. Zum einen diejenigen, die sich Licht als Teilchen vorgestellt haben und die anderen, die gesagt haben, das vollkommener Quatsch,
1:28 Licht ist eine Welle. Zu letzter, da gehörte beispielsweise Christian Hörens. Er hat das hörische Prinzip entdeckt bzw. beschrieben und er sagte, Licht ist
1:39 eine Welle. Und hier können wir diese senkrechten Balken, das sind die Wellenfronten erkennen. Das beispielsweise die Wellenberge. Und wenn
1:48 die auf einen Hindernis treffen und einen Spalt, es gibt dann einen Spalt durch den dann ein kleiner Punkt sozusagen durch kann, dann wird sich an
1:57 dieser Stelle eine neue Wellenfront, eine neue Elementarwelle bilden. Er behauptete, also jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer
2:05 neuen Elementarwelle betrachtet werden. Das war seine Vorstellung. Er hatte aber eine ja eine andere Meinung zu ertragen, wenn man so möchte,
2:14 von keinem geringeren als Sir Isaac Newton. Er kam nämlich mit seiner Korpuskel Theorie und stellte sich dabei Licht als ein Teilchen vor. Diese
2:24 Theorie wird auch als ballistische Theorie des Lichts verstanden, denn diese Teilchen hat man sich dann wirklich wie kleine Kanonenkugeln
2:32 vorgestellt und diese sind dann auch an Gegenständen abgebrallt. So in der Vorstellung zumindest von Newton. Und da Newton ein viel einflussreicherer Mensch
2:41 war, hat man natürlich dann in der Öffentlichkeit seine Theorie angenommen und dachte, okay, das wird schon richtig sein. Über die Jahre hat man aber
2:48 gemerkt, h also irgendwie funktioniert das mit der Teilchen Theorie nicht so ganz. Also Licht hat da anscheinend doch
2:55 irgendwelche Welleneigenschaften und 1802 kam dann Thomas Young mit dem Doppelspaltexperiment um die Ecke und dieses Experiment, ja, das war so
3:07 aussagekräftig und so gut zu verstehen, dass man gesagt hat, ja, also Licht muss dann wohl doch eine Welle sein. Maxwille kam dann später noch und konnte zeigen,
3:17 dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und es schien so das Schicksal des Lichts besiegelt. Licht ist also eine Welle und plötzlich betrat Albert
3:28 Einstein die Bühne und der kam mit einem völlig radikalen neuen Ansatz. Er beschrieb Licht als Lichtquanten, als Teilchen, die nur gewisse
3:40 Energieportionen vertragen oder annehmen können und also es gibt keine stufenlose Energieregelung, sondern immer nur
3:47 stückchenweise. Und das war absolut neu und fundamental und wirklich auch sehr mutig von ihm, denn man war wirklich eigentlich schon davon überzeugt, Licht
3:54 ist eine Welle. Und wir beschäftigen uns jetzt in diesem Video mit dem Doppelspaltexperiment und mit dem fotoelektrischen Effekt. Und
4:03 beginnen möchte ich jetzt mit dem Doppelspaltexperiment, dass wir mal so verstehen können, was denn da so überzeugend war. Das Experiment ist
4:10 relativ einfach aufgebaut. Auf der linken Seite haben wir Lichtquelle, dann eine Wand mit einem Doppelspand Doppelspalt und auf der rechten Seite
4:18 noch eine Wand, damit wir vielleicht sehen können, wo das Licht denn hinfällt. Eigentlich würden wir annehmen, wenn
4:25 Licht sich wie ein Teilchen verhält, dann müssen wir jetzt auf der rechten Seite zwei helle Balken erkennen, wenn wir das Experiment dabei durchführen.
4:33 Und das wird häufig an der Schule, Universitäten wird es auch wirklich häufig gemacht. Der Spalt muss nur ziemlich ziemlich klein gewählt werden.
4:42 Dann stellt man folgendes fest. Man erkennt nämlich auf der Wand dieses Muster. Das ist ein sogenanntes Interferenzmuster. Und das kann man sich
4:50 nur erklären, wenn Licht eine Welle ist. An manchen Stellen hier an diesen Punkten, da überlagern sich jetzt beispielsweise zwei Wellen und diese
4:59 Überlagerung sorgt zu sogenannten Interferenzen. Das heißt, es entsteht eine neue Welle mit einer größeren Amplitude und deshalb ist genau in dem
5:08 mittleren Bereich ein hellerer Bereich. Den könnten wir uns nämlich so mit den Strahlen nicht vorstellen oder bzw. vorstellen, vielleicht schon, aber nicht
5:16 erklären. Das ist also das Doppelspaltexperiment von Thomas Young, das damals wirklich sehr sehr sehr berühmt war und auch ja als das Argument
5:25 für die Wellentheorie galt. Dann kam ein deutscher Physiker Ludwig Halwachs. Er hat eine Experimentereihe fortgeführt, die eigentlich schon von
5:36 Heinrich Herz begonnen wurde und die Versuche von Halwachs, die bereiteten der Wellentheorie so ein paar Probleme. Hier haben wir auf der linken Seite auch
5:44 wieder eine Lichtquelle, eine Quecksilberdampflampe, die auch in der Lage ist, UV-Strahlung zu erzeugen. Und auf der rechten Seite sehen wir eine
5:52 Zinkplatte mit einem Elektroskop. Jetzt vielleicht noch mal zur Erinnerung, Materie besteht ja aus kleinen Teilchen, aus positiv geladenen
6:02 Protonen und aus negativ geladenen Elektronen. Und Halwax hat jetzt diese Zinkplatte positiv aufgeladen. Dann hat man am Elektroskop dann einen Ausschlag
6:13 gesehen. Klar, jetzt okay, die Platte ist geladen. Und jetzt hat er die Platte mit seiner Quecksilberdampf Lampe bestrahlt. Und wie er damals gesehen hat
6:23 und wie wir jetzt alle sehen, passiert einfach nichts. Da hat er sich gedacht, okay, gut, dann laden wir die Platte mal negativ auf. Wieder die Lampe an und was
6:31 ist jetzt passiert? Oh, die Platte hat sich entladen. Das bedeutet, dass sie vorher negativ aufgeladen war, muss sie die negative Ladung verloren haben. Das
6:41 heißt, die Elektronen müssen sich entfernt haben. Und wer kann dafür verantwortlich sein? Ja, genau, das Licht. So, um das Ganze etwas besser zu
6:50 verstehen, hat das Experiment noch etwas geändert, auch wieder negativ aufgeladen. Diesmal eine Glasplatte dazwischen geschoben und wieder
6:58 beleuchtet. Nur jetzt ist nichts passiert. Und genau das erinnert auch an unsere Eingangs oder an die Fragestellung vom Eingang, nämlich das
7:08 warum werden wir nur hinter warum werden wir nicht hinter einer Glasscheibe braunen und genau da sind wir jetzt an diesem Punkt. Halwa hatalwach hat sich
7:15 gedacht, okay, wir hatten ja vorhin diese Sache mit der Überlagerung, dass verschiedene oder dass mehrere Lichtwellen sich dann zusammen
7:22 überlagern können. Also muss er einfach nur die Lampe näher positionieren. Aber auch da ist nichts passiert und das war ein großes Problem, denn wir haben jetzt
7:32 die Intensität des Lichts erhöht und nach damaliger Vorstellung hat man sich das so gedacht. Okay, wir bringen mehr Lichtwellen jetzt zu diesen
7:43 Elektronen, also eine höhere Intensität. Dadurch entstehen größere Amplituden, mehr Energie und irgendwann müsste doch die Energie ausreichen, um dieses
7:53 Elektron herauszuschleudern. Man hat sogar noch was anderes festgestellt und zwar, dass dieser dass dieser Elektronenstoß, der der passiert sofort,
8:02 also unmittelbar. Und nach der Theorie des Lichts als Welle muss ich ja vielleicht so ein Elektron erstmal ein paar von diesen Lichtwellen schnappen,
8:11 um dann genug Energie zu haben, um herauszuspringen. Was man jetzt so langsam begriffen hat, es geht nicht um die Anzahl von diesen
8:21 Wellenlängen, sondern es geht um die Anzahl von diesen Wellen, sondern es geht um die Wellenlänge. Dann hat man das Ganze mit verschiedenen
8:28 Farben gemacht, also rotem Licht, das hat eine größere Wellenlänge, grünes Licht, etwas kleinere und blaues Licht, eine ganz kleine. UV, ultraviolettes
8:36 Licht hat eine wirklich extrem kleine Wellenlänge, die wir schon gar nicht mehr sichtbar wahrnehmen können. Und dann hat man gemerkt, okay, je kleiner
8:44 die Wellenlänge, umso leichter ist es, diese Elektronen herauszulösen. In der Schule macht man häufig die sogenannte Gegenfeldmethode.
8:54 Es ist ein ähnlicher experimentaler Aufbau wie die Halwa wie bei Halbwachs. Nur ist es jetzt so, dass wir hier dieser Halbkreis ist eine Fotokathode,
9:04 die erlaubt es relativ einfach Elektronen herauszuschlagen. Links dieser Ring ist dann eine Annode, der die rechts ausgeschlagenen Elektronen
9:12 dann aufnehmen soll. Wenn das passiert, erkennen wir in dem Gerät unten einen Strom. Und um es dem Licht nicht allzu einfach zu machen, setzen wir eine
9:21 Gegenspannung an, damit wir verschiedene Lichtwellen probieren können, welche Spannung sie sozusagen überwinden können und dann noch einen Strom liefern. Wenn
9:29 man das Ganze mal sich in einer Grafik klar macht, sehen wir, aha, rot hat eine sehr geringe Frequenz und auch eine geringe Spannung. Orangenes Licht
9:40 schafft eine größere Spannung und dann bis hin zum blauen Licht. Und Einstein war jetzt so clever, dass er erkannt hat, aha, das sieht doch aus wie eine
9:48 Gerade. Also, wir haben hier einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und der Frequenz des Lichts. Man kannte schon die Formel E = E mal U, also die
10:00 Energie ist die Elementarladung mal der Spannung und hatte somit schon ein Gefühl für die Energie. Und Einstein kam jetzt mit einer Formel daher, die
10:09 lautete E = H* F. E ist die Energie, H ist das blanche Wirkungsquantum. Das ist eigentlich der Faktor, der sozusagen die Steigung von
10:20 dieser Geraden und fenz. Das heißt, die Energie hängt nicht wie lange vermutet von der Amplitude ab, also dass wir mehrere Wellen überlagern können,
10:29 sondern von der Frequenz. Und die Frequenz ist unmittelbar mit der Wellenlänge verknüpft. Und das war das revolutionäre, was Einstein sich da
10:38 überlegt hatte. Und damit konnte der fotoelektrische Effekt erklärt werden. Das heißt also Licht, die Energie des Lichts hängt
10:46 tatsächlich von der Frequenz ab und nicht von der Intensität, also von der Amplitude. Das war der absolute Meilenstein.
10:55 Und wenn man sich das jetzt überlegt, also wir haben ein Teilchen, hier kommt dann das Licht an. Es ist nur wichtig, welche Frequenz, welche Wellenlänge es
11:05 hat und kann damit kann dann das Elektron herausgeschleudert werden oder nicht. Was Einstein auch noch bemerkt hatte, ist, dass ein Elektron immer nur
11:13 ein Photon, wie es jetzt heißt, dieses Lichtquantteilchen, Bälle, wie auch immer, kann ein Elektron immer nur eines davon aufnehmen und dann
11:23 ja verabschiedet es sich und wir werden uns auch gleich verabschieden bzw. sehe ich mich. Aber zuvor möchte ich euch noch mal kurz so eine Zusammenfassung
11:31 geben, was der fotoelektrische Effekt eigentlich alles ist und erklärt. Ja, die neue Vorstellung ist, wir sprechen jetzt von Lichtquanten, sogenannten
11:40 Photonen, die die Energie E = H mal x mal F übertragen und ein Elektron absorbiert jeweils nur die Energie eines Photons. Das ist auch ganz ganz wichtig.
11:51 Eine Erhöhung der Intensität des Lichts vergrößert die Anzahl der Photonen. Aber wenn die Wellenlänge nicht kurz genug ist, also die Frequenz nicht groß genug
11:59 ist, dann können wir die Elektronen auch mit hochintensivem Licht nicht herausbefördern. Und das erklärt auch, weshalb unsere
12:07 Haut hinter einer Glasscheibe nicht braun wird, denn die Glasscheibe wirkt als UV Filter und da unsere Haut auch aus Protonen und Elektronen besteht und
12:15 bei chemischen Prozessen Elektronen verschoben werden müssen, reicht dann das Licht ohne OVlicht nicht mehr aus, um diese Elektronen zu verschieben und
12:24 die werden also nicht braun. Ich hoffe, das Video hat euch gefallen. Falls ihr weitere Physikvideos, speziell Quantenphysik Videos haben möchtet, dann
12:36 schreibt doch einfach #denkquant in die Kommentare. Ansonsten bedanke ich mich fürs Anschauen. Immer dran denken, alles ist denkbar. Und habt noch einen
12:47 fantastischen Tag. Macht's gut, bis bald und ciao.