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Quantenoptik

Optik, Teilgebiet der Optik, das sich mit Eigenschaften beschäftigt, die mit der Teilchennatur des Lichts erklärt werden können. Die Korpuskeleigenschaften beschrieb als erster W. Hallwachs 1887 nach der Entdeckung des äusseren Photoeffekts, bei dem mittels UV-Licht Elektronen aus einer Kathode gelöst werden. Die Existenz einer bestimmten Grenzwellenlänge, oberhalb derer auch durch Erhöhung der Intensität keine Elektronen mehr ausgelöst werden können, widersprach der gängigen Wellentheorie. Zusammen mit der in der Planckschen Strahlungsformel enthaltenen Forderung nach einer Quantelung der Lichtenergie formulierte Einstein seine korpuskulare Theorie des Lichts. Danach besteht monochromatische Strahlung der Frequenz n aus einzelnen Lichtquanten (Photonen) der Energie hn (h: Plancksches Wirkungsquantum).

Den Photonen können weitere Teilcheneigenschaften wie Impulsbetrag (h / l), Eigendrehimpuls (h / 2p) oder eine Masse gemäss der Speziellen Relativitätstheorie (hn / c2) zugeordnet werden. Die Ruhemasse eines Photons ist jedoch gleich Null. Einzelne Teilcheneigenschaften wie z.B. der Impuls lassen sich mit modernen Geräten nachweisen (Strahlungsdruck), während die postulierte Photonenstreuung noch jenseits der messtechnischen Möglichkeiten liegt.

Das Bohrsche Atommodell übertrug die Vorstellungen über die quantenhafte Natur der Strahlung auf die quantenhafte Natur des Atoms. Damit liess sich die »gequantelte« Absorption und Emission von Licht durch Materie sowie die Existenz von Spektrallinien und die in Lasern ausgenutzte induzierte Emission von Licht erklären.

Schliesslich lässt sich auch die Änderung der Wellenlänge eines Photons bei der inelastischen Streuung an Materie am einfachsten deuten, wenn man - z.B. bei der Streuung von Photonen an Elektronen, dem 1923 entdeckten Compton-Effekt - die Wechselwirkung zwischen Elektron und Photon rein korpuskular und klassisch mit Energie- und Impulserhaltungssatz berechnet. Gleiches gilt auch für Raman- und Brillouin-Streuung.

Die gequantelte Natur des Lichts ist seit den Arbeiten von Planck, Einstein und anderen selbstverständlich und wird in vielen Strahlungsmessgeräten wie Photokathoden mit Sekundärelektronenvervielfacher, Photodioden oder Photowiderständen ausgenutzt. In der Quantenelektrodynamik werden beide Erscheinungsformen des Lichts in einer übergreifenden Theorie vereinigt.

 

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