Man sieht
bei der Durchführung eines solchen
Experimentes, dass der maximale fotoelektrische Effekt nicht mit der
Lichintensität, sondern mir der Wellenlänge erreicht
wird.
Das ist mir der Wellentheorie nicht erklärbar, aber sehr
einfach
mit der Photonentheorie, vor allem wenn dabei die Energie eines
Einzelphotons E=h
n
beträgt.
4 Die
Natur von Wellen
Nun war die Ausgangslage gegeben:
Ist
das Licht nun eine Welle oder
besteht es aus Teilchen (Photonen) ?
Um die Tragweite dieser Frage zu begreifen, muss man wissen, was
"Wellen" sind:
Von Wasserwellen sprechen wir, wenn der Zustand der Wassermassen sich
rythmisch ändert. Die Wassermasse selbst bewegt sich nicht
(bzw.
nur lokal etwas auf und ab), sondern der
Zustand
des Wassers
bewegt sich. Wenn ein Kork auf der Wasseroberfläche schwimmt,
sieht man sehr gut, dass der Kork an derselben Stelle belibt,
während die Wellenberge und Wellentäler weiter
ziehen. Eine
Welle braucht also ein
Medium.
Wasserwellen brauchen Wasser,
Schallwellen brauchen Luft (darum kann Lärm nicht durch
luftleeren
Raum dringen) und die "Welle" im Fussballstadion braucht
Menschen, welche im richtigen Zeitpunkt aufstehen und die Arme
schwenken.
Welches Medium hat das Licht? Diese Frage beschäftigte die
Physiker sehr. Wenn Licht eine Welle sein sollte, dann musste es doch
ein Medium geben, welches z.B. die Lichtwellen von der Sonne zur Erde
ermöglicht. Man nannte das Medium der Lichtwellen
"Äther".
Erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts
gewöhnte man sich an die Vorstellung, der Raum selbst
könne
das medium der Lichtwellen sein. Ausserdem entdeckte Maxwell, dass mit
einer "Doppelwelle" (ein elektrisches Feld als "Medium" und ein
magnetisches) alle Eigenschaften des Lichtes beschrieben werden
können:
Vereinfacht aber verhält sich Licht in Vielem wie
eine
Wasserwelle. Schon im Bild der Meeresbucht erahnt man, dass in der
Lücke zwischen dem Fels rechts und jenem links etwas
mit den
Wasserwellen, die vom weiten Meer her kommen, geschieht. Sie werden zu
einem Bogen:
Hygens hat diese Beobachtung aufs Licht angewandt und den einfachen
Grundsatz formuliert: Jeder Punkt einer Wellenfront kann als
Quellpunkt einer (Teil-)Welle betrachtet
werden;
zusammen ergeben diese Teilwellen wieder die Wellenfront -- ausser am
Rand einer Lücke:
Wenn wir nun auf einer Wasseroberfläche zwei
Kreis-Wellen-Qellen
haben (oder im Raum zwei Kugelwellen-Quellen, also z.B. zwei
Lichtquellen), dann "interferieren" (beeinflussen einander)
die
von den Quellen erzeugten Wellen. Sie "überlagern" sich:
Das Prinzip der Interferenz ist sehr einfach:
Die
Zustände werden addiert.
Treffen also am gleichen Ort zur
gleichen Zeit zwei Wellenberge
zusammen, so addieren sie sich zu einem doppelt so hohen
Wellenberg. Umgekehrt verschwindet ein Wellenberg wenn er mit
dem
Wellental zusammentrifft (das Wellental wird üblicherweise
als
negative Wellenamplitude
aufgefasst):
Hier noch die Formeln zur Berechnung der Interferenz:
(überspringe Math)
Wir halten fest: Wenn also gerade Wellenfronten auf
eine Lücke
treffen, so wierden
die "Quell-Punkte" am Rand sich verhalten wie zwei Quellen
von
Kreiswellen und es wird zu Interferenz kommen:
Im Wasserexperiment ist die "destruktive Interferenz" gut
sichtbar:
Die Orte der Maxima und Minima lassen sich geometrisch leicht berechnen:
(überspringe Math)
gelten,
wie aus den folgenden Abbildungen hervorgeht:
