Einsteins annus mirabilis Fünf Schriften, die die Welt der Physik revolutionierten

2. Einsteins annus mirabilis Fünf Schriften, die die Welt der Physik revolutionierten Einsteins Dissertation: Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen 20.4.05 13:15 3105 Referent: Prof. Dr. A. Kurtz Einstein zur Brownschen Bewegung: Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen   4.5.05 13:15 3105 Referent: Prof. Dr. K. Heift Einstein zur Speziellen Relativitätstheorie 1: Zur Elektrodynamik bewegter Körper 18.5.05 13:15 3105 Referent: Prof. Dr. H. Bärwolff Einstein zur Speziellen Relativitätstheorie 2: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? 1.6.05 13:15 3105 Referent: Prof. Dr. H. Koch Einstein zur Quantenhypothese: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt 15.6.05 13:15 3105 Referent: Prof. Dr. E. Holland-Moritz

3. „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ Einstein Albert Annalen der Physik 17 , 132 (1905) , eingegangen am 18.3.1905 Erklärung des lichtelektrischen Effektes PHOTOEFFEKT als Quanteneffekt

4. Historische Einordnung 1805 : W. Wollaston Endeckung der Absorptionslinen im Sonnenspektrum 1817 : J. von Fraunhofer exakte Ausmessung 1887 : H. Hertz erste Beobachtung des Photoeffektes als Störeffekt 1889 : W. Hallwachs erste explizite Studien zum Photoeffekt

5. 1897 : J. Thomson erster Nachweis des Elektrons e/m - Bestimmung 1900 : M. Planck Strahlungsgesetz 1900 : P. Lenard Nachweis , dass beim Photoeffekt Elektronen emittiert werden durch e/m - Bestimmung 1904 : W. Hallwachs weitere experimentelle Studien

6. 1905 : A. Einstein Quantenhypothese des Lichtes 1913 : N. Bohr Schalenmodell des Atoms 1915 : R.A. Millikan experimenteller Nachweis Einsteins Quantenhypothese 1917 : A. Einstein Thesen zur stimmulierten Emission Voraussetzung für den LASER

7. Beobachtung von Hertz Beim erfolgreichen Versuch, die Maxwellsche Theorie des Lichtes nachzuweisen, gleichzeitige Entdeckung des Photoeffektes. „ .... Gelegentlich schloß ich den Funken B (induzierte sekundäre Schwingung) in ein dunkles Gehäuse ein, um die Beobachtungen Zu erleichtern, und dabei bemerkte ich, daß die maximale Funken- länge im Inneren des Gehäuses entschieden kürzer war als zuvor.“ Ironie der Wissenschaftsgeschichte : Beim Nachweis der Wellentheorie des Lichtes Entdeckung des Photoeffektes, der direkt zur Teilchenbeschreibung des Lichtes führt.

8. Grundversuche von Hallwachs Animation „Angeregt durch die Versuche von Hrn. Hertz über die Wirkung des Lichtes auf den Inductionsfunken hatte ich vor einiger Zeit gezeigt, dass bei der Belichtung negativ electrischer, blanker Metallplatten mit geeignetem, ultravioletten Licht sich die negative Electricität den electrostatischen Kräften des Feldes folgend, zerstreut. . . .“ Grundlagen zur Entwicklung der Photozelle wurden von W. Hallwachs gelegt (ab 1904)

9. Experiment von Lenard Kollege von J.J. Thomson e/m – Bestimmung zum Nachweis, Elektronen ausgesandt werden.

10. 1905 bekannte Fakten Animation Schematischer experimenteller Aufbau

11. 1. Der Photostrom nimmt pro- portional mit der Strahlungs- Intensität der Strahlung zu. lässt sich klassisch erklären 2. Es gibt keine Mindest- intensität gibt, unter der kein Photostrom existiert. lässt sich klassisch nicht erklären

12. 3. Es gibt eine Gegenspannung V0 , die sog. Bremsspannung, bei der der Photostrom erlischt, d.h. es gibt eine maximale Elektronengeschwindigkeit vmax mit : lässt sich klassisch erklären 4. Die Bremsspannung ist bei vorgegebener Frequenz unabhängig von der Intensität der Strahlung. lässt sich klassisch nicht erklären 5. Der Photostrom ist für positive Spannungen konstant lässt sich klassisch erklären

13. 6. Es gibt eine Grenzfrequenz ft (Grenzwellenlänge), unter (über) der kein Photostrom beobachtet wird. lässt sich klassisch nicht erklären 7. Bei vorgegebener Strahlungsintensität nimmt die Bremsspannung mit zunehmender Frequenz (kleinerer Wellenlänge) zu. lässt sich klassisch nicht erklären

14. Einstein Veröffentlichung Teilchen - Welle Dualismus Zustand eines Körpers wird durch Lagen und Geschwindigkeiten einer zwar sehr großen, jedoch endlichen Zahl von Teilchen beschrieben. Die Gesamtenergie ergibt sich aus der Summe der Energien der einzelnen Teilchen, d.h., Energie ist diskontinuierlich im Raum verteilt. Eine endliche Anzahl von Größen reicht nicht aus, den elektromagnetischer Zustand eines Raumes zu beschreiben. Nach Maxwelscher Theorie verteilt sich die Energie kontinuierlich im Raume.

15. „Die mit kontinuierlicher Raumfunktion operierende Undulationstheorie des Lichtes hat sich zur Darstel- lung der rein optischen Phänomene vortrefflich be- währt und wird wohl nie durch eine andere Theorie ersetzt werde. Es ist jedoch im Auge zu behalten, daß sich die die optischen Beobachtungen auf zeitliche Mittelwerte, nicht aber auf Momentanwerte beziehen, und es …………… wohl denkbar ist, daß die mit kon- tinuierlicher Raumfunktion operierende Theorie des Lichtes zu Widersprüchen mit der Erfahrung führt, wenn sie auf die Erschei- nungen der Lichterzeugung und Lichtverwandlunganwendet“. „es scheint mir nun in der Tat, daß …..gewisse Effekte ….. besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. …….. es besteht aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können.“

16. Klassische Vorstellung der • Lichterzeugung (allg. elektromagnetische Strahlung): • Schwingende Ladungen, die als Hertzsche Dipole beschrieben werden. • Idealer schwarzer Strahler : • Sämtliche Strahlung wird absorbiert, Körper erwärmt sich und regt Schwingungen, auch der Elektronen, an, die wiederum elektromagnetische Strahlung aussenden. • Thermisches Gleichgewicht : Absorptions- und Emissionsraten gleich groß.

17. Plancksches Strahlungsgesetz So heute anerkannt, von Plank aber empirisch abgeleitet in der Form : mit : und • Planck fand er heraus, dass seine empirische Formel mit folgender Annahme ableitbar war : • Die Energie der schwingenden Ladungen und damit der emmitierten Strahlung konnte nur diskrete Werte annehmen: • Allerdings war er damit unzufrieden und versuchte vergeblich , sein Ergebnis klassisch abzuleiten. Seine Situation beschrieb er : • „Ich kann die ganze Prozedur als einen Akt der Verzweiflung charakterisieren, da ich von Natur aus friedlich bin und alle zweifelhaften Abenteuer ablehne“

18. Grenzfälle : 1. kleine Frequenzen , große Wellenlängen : Rayleigh-Jeans-Gesetz 2. große Frequenzen , kleine Wellenlängen : Wiensches Strahlungsgesetz

19. Reflektierender Hohlkörper (abgeschlossenes System) : Strahlung wird erzeugt durch schwingende Resonatorelektronen In den Wänden. Deren mittlere Energie ist gleich der mittleren Energie der N Gasmöleküle im Hohlkörper (WW zwischen Gas und Wand) . Aus kinetischer Gastheorie : R : Gaskonstante WW zwischen Resonatorelektronen und Strahlung im Raum ergibt nach Planck : Für konstant bleibende Strahlungsenergie muss gelten: Also : (1)

20. Plancksche empirische Formel für große l (Rayleigh-Jeans-Limit) • (2) • Vergleich von (1) und (2) ergibt : • Aus dieser guten Übereinstimmung folgt : • Für große Wellenlängen ist das Hohlkörpermodell tauglich

21. Entropieberechnungen monochromatischer Strahlung für kleine l(Wienscher Limit) : Die Gesamtentropie für schwarzen Strahler ist : wobei für die Funktion j gilt : (3) Angewandt auf das Wiensche Strahlungsgesetz mit Plancks empirischen Konstanten folgt weiter : mit (3) folgt für die Funktion j:

22. Die Entropie Sneiner Strahlung der Energie E, deren Frequenz im Bereich nundn+dnliegt und ein Volumen V einimmt, ergibt sich dann zu : Beschränkung auf Abhängigkeit vom eingenommenen Volumen Hierbei sei Sn0dieEntropie der Strahlung, wenn sie das Referenzvolumen V0 einnimmt. Es wird die Differenz Sn-Sn0 betrachtet : (4) Entropie der Strahlung entspricht dem Verhalten eines idealen Gases oder einer verdünnten Lösung

23. Molekulartheoretische Untersuchung der Abhängigkeit der Entropie von Gasen und verdünnten Lösungen vom Volumen • Boltzmannsche Prinzip : • Entropie eines Systems ist eine Funktion der • Wahrscheinlichkeit seines Zustandes. • S = j (W) Sei S0 die Entropie eines Anfangszustandes, so folgt im Rahmen Der kinetischen Gastheorie : (5) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, zu einem beliebigen Zeitpunkt alle n Teilchen, die zu Beginn sich im Volumen V0 befanden im Volumen V zu finden ? (6)

24. Zusammenführung der Entropiebetrachtungen : Gleichung (4) lässt sich umformen : Vergleich mit Glg. (5) ergibt : • Schlussfolgerung : • „Monochromatische Strahlung von geringer Dichte (innerhalb • des Gültigkeitsbereiches der Wienschen Strahlungsformel) • verhält sich in wärmetheoretischer Beziehung so, wie wenn sie • aus voneinander unabhängiger Energiequanten von der Größe • Rbn / N bestünde.“

25. Mit : gilt : und Hieraus folgt mit (6) die heute wohl bekannte Beziehung :

26. Bedeutung für Photoeffekt : • „Ist die abgeleitete Formel richtig, so muss V0 , als Funktion der Frequenz des erregenden Lichtes in kartesischen Koordinaten dargestellt, eine Gerade sein, deren Neigung von der Natur der untersuchten Substanz unabhängig ist.“

27. Experiment von Millikan 1915 : Nachweis von Einsteins Voraussage A.A. Michelson (1931) R.A.Millikan A. Einstein

28. Zeitliche Kohärenz

29. Einsteins These der stimmulierten Emission (1917) : Erste Vorausstzung für den LASER

30. Zusammenfassung : • Große Wellenlängen (Rayleigh-Jeans-Limit) klassisch erklärbar • Kleine Wellenlängen und geringe Strahlungsdichte (Wiensches Strahlungsgesetz mit Plancks empirischen Parametern) • Entropiebetrachtung monochromatischer Strahlung im Wienschen Limit • Molekulartheoretische Betrachtung der Entropie von idealen Gasen Boltzmannsche Prinzip (Zustandswahrscheinlichkeit) • Konsequenz : Quantelung der Strahlungsenergie :

31. Einstein im Wunderjahr 1905