1.1.1 Licht als elektromagnetische Welle
Einstein hat in den Fünfzigerjahren in einem Brief geschrieben: „All die 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort auf die Frage ‚Was sind Lichtquanten?‘ nicht näher gebracht. Heutzutage denken Krethi und Plethi sie wüssten es, aber sie täuschen sich.“ Tatsächlich ist die Jahrhunderte alte Frage, ob Licht Teilchen- oder Wellencharakter hat, bis heute nicht beantwortet … und zwar deshalb nicht, weil man sie gar nicht beantworten kann. Licht tritt je nach Experiment als Welle oder als Teilchen in Erscheinung. Erst die Quantentheorie hat dieses Phänomen befriedigend beschrieben. So wird auch in diesem Buch die Betrachtungsweise wechseln: zunächst wird zur begrifflichen Einteilung der Strahlung sowie zur Einführung einiger grundlegender Eigenschaften das Wellenbild herangezogen, dann aber auch ins Quantenbild gewechselt.
Es soll zunächst der Begriff Licht genauer definiert werden. Dies geschieht u.a. durch die DIN-Norm 5031, Blatt 7 [DIN 5031-7]. Sie spezifiziert elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm als optische Strahlung (Abb. 1.1). Unter Licht im eigentlichen Sinne versteht man Strahlung im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm (sichtbare Strahlung, VIS). Seine Erzeugung ist Kernthema dieses Buches, wenngleich dabei auch häufig UV- bzw. IR-Strahlung auftritt.
Abb. 1.1: Der Wellenlängenbereich der optischen Strahlung erstreckt sich von 100 nm bis 1 mm. Die Wellenlängenskala ist logarithmisch skaliert.
Licht ist, ähnlich den bekannten Radiowellen, eine transversale elektromagnetische Welle, die aus zwei Feldern, dem elektrischen und magnetischen Feld, besteht. In Abb. 1.2 sind die Verhältnisse bei einer ebenen Welle skizziert, die sich in y -Richtung ausbreitet. In diesem
Fall stehen
- und
H -Vektor senkrecht aufeinander und sind ihrerseits senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Diejenige Ebene, die durch die Schwingungsrichtung der elektrischen Feldstärke und durch die Ausbreitungsrichtung festgelegt ist, wird
Schwingungsebene genannt. Durch die Schwingungsrichtung der magnetischen Feldstärke und durch die Ausbreitungsrichtung wird die
Polarisationsebene festgelegt. Licht, das sich wie in
Abb. 1.2 ausbreitet, wird
linear polarisiert genannt, weil der Vektor der elektrischen Feldstärke in eine feste Richtung, hier die
z-Richtung, zeigt. Eine andere Möglichkeit wäre, dass
in
x-Richtung zeigt und
in negative
z-Richtung. Alle weiteren Richtungen des
-Feldes bei Ausbreitung in
y-Richtung lassen sich durch Komponenten
Ex und
Ez gemäß
ausdrücken.
Das Licht thermischer Lichtquellen stammt von einer Vielzahl von Sendern, die alle unabhängig voneinander strahlen. Jede so abgestrahlte Lichtwelle hat für sich eine eigene Schwingungsrichtung. Die einzelnen Richtungen der elektrischen Feldstärke sind also statistisch verteilt, so dass das Licht im Ganzen unpolarisiert erscheint.
Abb. 1.2: Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle. Bei der ebenen Welle stehen
- und
-Vektor senkrecht aufeinander.
1.1.2 Lichtquanten
Die Vorstellung von Licht als einer Art Radiowelle mit extrem hoher Frequenz ist nicht mehr haltbar, wenn man die Entstehung von Licht genauer analysiert. Betrachtet man etwa die Spektren, die entstehen, wenn man eine Gasentladung in Wasserstoffatmosphäre brennt, dann stellt man fest, dass nur ganz bestimmte Frequenzen auftreten. Das rührt daher, dass die Emission von Licht in Form von Energiepaketen, so genannten Lichtquanten oder Photonen erfolgt. Ihre Energie ist E=hf , wobei f die Frequenz der Lichtwelle darstellt. h ist die Plancksche Konstante, ihr Wert ist 6, 6261⋅10−34 Js.
Fasst man das Elektron als Materiewelle auf und überträgt diese Vorstellung auf Bohrs um den Kern kreisendes Elektron, dann erhält man nur dann stabile „Bahnen“, wenn der Umfang der Kreisbahn mit Radius rn ein ganzzahliges Vielfaches n der Wellenlänge λe ist:
Bei allen anderen Bahnradien löscht sich die Welle durch Interferenz aus. Die Wellenlänge λe der Materiewelle ist mit dem Impuls p des Elektrons nach de Broglie über
verknüpft, so dass für den Drehimpuls des Elektrons die Quantisie...
