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Vorlesung 3: Das Photon

Vorlesung 3: Das Photon. Roter Faden: Eigenschaften des Photons Photoeffekt Comptonstreuung Gravitation Plancksche Temperaturstrahlung. . -> VL3. . -> VL4. Folien auf dem Web: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ Teilweise benutzte Skripte:

nikita
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Presentation Transcript

  1. Vorlesung 3: Das Photon • Roter Faden: • Eigenschaften des Photons • Photoeffekt • Comptonstreuung • Gravitation • Plancksche Temperaturstrahlung  ->VL3  ->VL4 Folien auf dem Web: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ Teilweise benutzte Skripte: http://www.physi.uni-heidelberg.de/~specht/ http://www.wmi.badw-muenchen.de/E23/lehre/skript/

  2. Teilchencharakter des Lichts: Photonen Wellencharakter des Lichts bewiesen durch Interferenzen (Huygens, Young) Teilchencharakter bewiesen durch 1. Photoeffekt 2. Thompson-, Raleigh- und Comptonstreuung 3. Gravitationseffekte des Photons 4. Plancksche Hohlraumstrahlung Heute: 1) bis 2)

  3. Teilchen-Welle “Dualismus” Photonen beschreiben elektromagnetische Wechselwirkung als Austauschteilchen der QED (QED=Quantum Electrodynamics = relat. Quantenfeldtheorie des Elektromagnetismus). Wie kann man Wellencharakter und Teilchencharakter vereinbaren? Beispiele 1. Dipolantenne: unendlich viele Photonen lassen Quantencharakter verschwinden: “Glättung” der Wellen; Analogie: kontinuierliche Erzeugung von Wellen in einem Seil  stehende Wellen 2. Übergang im Atom: Photon mit Frequenz h ; Analogie: EINE Schwingung im Seil  ”Teilchen” Energiepaket

  4. Warum revolutionär? Erwartenaiv, dass Lichtintensität Amplitude2 (wieEnergiedichteimKondensator =1/2 E2) und beihöherenIntensi- tätsolltenelektrischeKräfte (eE) auf Elektronengrößersein. DIES IST FALSCH: Kräfte NUR VON FREQUENZ ABHÄNGIG, nicht von AMPLITUDE! BEWEIS: PHOTOEFFEKT

  5. Der Photoeffekt Bestrahlt man einAlkalimetall - das sindMetallemitnureinemElektron in derAußenhülle - imVakuummitultraviolettemLicht, werdenElektronen (e-) ausderMetalloberfläche 'herausgeschlagen'. ElektronenflußbedeutetabergemeinhinStromfluß, den man messenkann. DurchAnlegeneinerGegenspannung -U0 kann man den Stromflusssteuern. Man hat festgestellt, dass die gemesseneelektrischeStromstärke - also die AnzahlderfreigesetztenElektronen - proportional zurIntensität des eingestrahltenLichtsist, die kinetischeEnergiederElektronenhingegenabernur von derFrequenz des Lichtsab, nicht von derIntensität. Man nennt die Gegenspannung (kannpositivodernegativsein) auchBremsspannung. Das die maximaleBremsspannung -U0 nicht von derLichtintensität des einfallendenLichtsabhängig war, war überraschend. NachderklassischenPhysiksollte die Erhöhungder auf die Metallfläche (Kathode) treffendeLichintensitätzueinemAnstiegder von einemElektronabsorbiertenEnergieführen, und damitauchzueinergrößerenkinetischenEnergiederherausgelöstenElektronen. Dass dies nichtder Fall war, konnte Einstein so erklären:

  6. Der Photoeffekt nach Einstein (Nobelpreis) Einsteins Vorhersage: Mehr Intensität-> mehr Photonen, aber Ek unabh. von I, nur eine Fkt. von Freq. Einsteins Vorhersage wurde durch Experimente von Millikan bestätigt.

  7. Versuche zum Photoeffekt 1888 Hallwachs: Negativ geladenes Elektrometer entlädt sich durch Licht, ein positiv geladenes Elektrometer NICHT!!

  8. Photoeffekt-Messungen Spannung kann sowohl >0 als <0 gewählt werden: alle Elektronen werden angesaugt bei U>0 bis I=Imax oder abgebremst bei U<0 bis I=0. Dann gilt:Ekin=eU0

  9. Photoeffekt-Messungen Messung der Elektronen- Energie durch Gegenspannung Linse Gasentladung Vakuummit Kathode und Anode Farbfilter Gegenspannung Anodenstrom http://www.walter-fendt.de/ph14d/index.html

  10. Beobachtung Kin. Energie des Elektrons: eU0=Ekin=hv-EB Kin. Energie>0 für hv-EB>0, oder vGrenze=EB/h

  11. Interpretation

  12. Folgerung aus Einstein’s Hypothese

  13. Anwendung des Photoeffekts CMOS-cameras: Photodioden auf Si-wafer mit Verstärker und Adressierung für jeden Pixel.

  14. Eigenschaften des Photons Das Photon ist das Energiequant der elektromagnetischen Wellen, d.h. Licht hat wie von Einstein postuliert nicht nur Wellencharakter, sondern auch Teilchencharakter mit den oben angegebenen Eigen-schaften (Einstein bekam den Nobelpreis für den photoelektrischen Effekt und nicht wie gemeinhin angenommen für die Relativitätstheorie).

  15. Licht Polarisation Photon PolarisationistwieElektronPolarisation: Spin (=Eigendrehimpuls) quantisiert in Ri. und Größe: Ri. entlangoderentgegenImpulsrichtung Größe 1 h/2 1ħfür Photon, ½ħfürElektron Man spricht von Helizität = S.P/SP =+ or -1 Polarisation  (N+-N-)/(N+ +N-).

  16. 10000Å

  17. Streuprozesse der Photonen Allgemeine Darstellung eines Streuprozesses: wenn das Photon Teilchencharakter hat, soll es eine Impulsänderung erfahren, d.h. seine Frequenz (“Farbe”) ändern. < >

  18. Wechselwirkung zwischen Photonen und Materie Thompson Rayleigh klassische Streuung Teilchencharakter Teilchencharakter Energie->Masse

  19. Wechselwirkung zwischen Photonen und Materie Raleigh HöhereEnergie = höhereFrequnz, d.h. kleinere WellenlängeoderbessereAuflösung

  20. Wechselwirkung zwischen Photonen und Blei pe:Photoeffekt; :Rayleighstreuung; :Comptonstreuung; :nucPaarproduktionimKernfeld; : ePaarproduktionimElektronenfeld; :gdrAbsorption des Photons vom Kern (Quelle: http://physics.nist.gov/PhysRefData)

  21. Thompson-Streuung (hv sehr klein) (=weiche Raleighstreuung weit oberhalb der Resonanz)

  22. Diskussion der Thompson-Streuung (pp-Streung: 80 mb)

  23. Winkelverteilung der Thompson-Streuung http://satgeo.zum.de/satgeo/methoden/anwendungen/satgeo_spektrum/default.htm

  24. Rayleigh-Streuung 4

  25. Warum ist der Himmel blau und Sonnenuntergang rot? Rayleigh-Streuung regt Atome am stärksten an für blaues Licht, das auch wieder emittiert wird. Abends wird blaues Licht durch Rayleigh-Streuung am stärksten absorbiert. Verunreinigungen nahe der Erde können durch Anregungen wunderschöne Farben beimischen

  26. Compton-Streuung (reiner Quanteneffekt) (Thompson und Raleigh-Streuung klassisch) Compton (1922): Streuexperimente mit Photonen im Röntgenbereich (20 keV) (E>Bindungsenergie der Elektronen) e Gemessen wird: Streuwinkel und Energie (=hc/) des gestreuten Photons

  27. ExperimentelleAnordnung Oder mit hv=E=hc/

  28. Deutung der “verschobenen” Strahlung (1) (2) (3) Relativistisch, da kinetische Energie und Masse des Elektrons vergleichbar sind!

  29. Lösung der E,p-Erhaltungssätze e (aus (2)) (4) Aus (4) Schlussfolgerung: Peakverschiebung Δ als Fkt. von θ wird durch Energie-Impulserhaltung beschrieben  elektromagn. Strahlung hat Teilchencharakter bei Energien ab keV Bereich.

  30. Diskussion der Compton-Streuung Da h/=hv/c=mc Z.B. E=1 keV-> =12Å -> Δ / =0.8 % Z.B. E=1 MeV-> =0.012Å -> Δ / =80%

  31. Comptonstreuung dargestellt als Energien Energie des gestreuten Photons: Ellipse mit Exzentrizität die mit Frequenz h ansteigt Polardiagram von h’ =h-h’ Zentraler Stoß: θ=180; Sonderfälle:

  32. Winkelverteilungen

  33. KorrelationderWinkelverteilungen

  34. Relativistische Streuung

  35. Zum Mitnehmen Die elektromagnetische Strahlung hat bei kurzen Wellenlängen Teilchencharakter, d.h. die Strahlung besteht aus Wellenpakete die bestimmte Energie und Impuls haben. Experimentell wurde diese Quantisierung der e.m. Wellen beobachtet durch: Photoeffekt Comptonstreuung die alle nur verstanden werden können, wenn die Lichtquanten oder Photonen eine Energie hv Impuls hv/c=h/ Masse m=E/c2=hv/c2=p/c besitzen.

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