Die Einstein'sche Lichtquantenhypothese

Einsteins Lichtquantenhypothese geht auf die Probleme bei der Vorstellung des lichtelektrischen Effekts (Photoeffekt) ein. Beugung, Brechung und Interferenz von Licht lässt sich mit der Welleneigenschaft des Lichtes erklären. Wie sieht es daher beim Photoeffekt aus?


1. Problem: Elektronen werden nur bei Licht mit hohen Frequenz - geringer Wellenlänge - ausgelöst. Wie kommt das? In einem Erklärungsansatz kann man davon ausgehen, dass die Elektronen in dem elektrischen Feldes des Metalls mit anfangen zu schwingen und so Energie aufnimmt. Wer jetzt weiß, dass die Feldstärke proportional zur Intensität eines Lichtes wächst ahnt vielleicht schon ein Problem, denn dann müssten die Elektronen irgendwann auf jeden Fall und vor allem bei jedem Licht aus dem Metall gerissen werden. Da dies allerdings erst ab einer bestimmen Grenzfrequenz des Lichtes der Fall ist stoßen wir hier auf ein Problem.


2. Problem: Genauso kann man sich mit den klassichen Vorstellungen über Intensität und Energie von Licht nicht erklären, wieso die Intensität des Lichtes beim Ablauf des Photoeffekts nur eine minderwertige Rolle spielen soll. Egal mit welcher Intensität ein Licht strahl, der Höchstbetrag der den Elektronen zugeführten ist immer gleich, es dauert mit unter nur etwas länger, bis sie diesen Energiebetrag erreichen.
Die Lösung - Die Einstein'sche Lichtquantenhypothese ... 
Albert Einstein untersuchte den Photoeffekt und stoß dabei auf bahnbrechende Erkenntnisse. Er fand heraus, dass die Energie nicht von einer Lichtwelle übertragen wird, sondern von so genannten Lichtquanten, den Photonen. Diese Photonen übertragen die Energie nach E = h * f auf ein Elektron. Die von Photon zu Elektron übertragene Energie ist demnach proportional zur Frequenz f des Lichtes, welches erklärt, wieso der lichtelektrische Effekt nicht bei beliebiger Strahlung funktioniert. 
Wie schon angedeutet überträgt ein Photon seine ganze Energie an ein Elektron, was bedeutet, dass das Licht die Energie nur in Energiepäckchen weitergibt und die Energie nicht kontinuierlich erhöht. Erreicht die übertragene Energiemenge die zum Austritt aus dem Metall benötigte Austrittsenergie, so löst sich das Elektron vom Metall. Da die übertragene Energie von Licht zu Licht unterschiedlich ist, klappt es also nicht bei jedem Licht, da sich keine zwei Photonen auf ein Elektron stürzen würden.
Eine Erhöhung der Intensität führt dann wiederum nur zu einer größen Anzahl an Elektronen, was zu in einem bestimmten Zeitintervall größeren Auslösung von Elektronen führt.
Einsteins Erkenntnisse in Kurzform:

  • Licht und Materie tauschen Energie mit Hilfe von Lichtquanten. Dabei ist die absorbierte Energie proportional zur Frequenz f des Lichtes
  • Ein Photon überträgt seine Energie an ein Elektron, eine Übertragung in Energiepäckchen.
  • Wird die Intensität erhöht, vergrößert sich die Anzahl an Photonen und somit an losgelösten Elektronen. Die Intensität erhöht hier nicht die auf das Elektron übertragene Energie!

Einsteins Erkenntnisse von einer neuen Vorstellung eines Lichtes mit Lichteilchen (Lichtquanten oder auch Photonen) war für die Wissenschaft von so großer Bedeutung, dass er deswegen im Jahre 1921 den Nobelpreis für Physik bekam (und nicht wie viele fälschlich glauben für seine Relativitätstheorie).