Von der Kerze zum Laser:

Die Physik der Lichtquanten

Jörg Weber Institut für Angewandte Physik/Halbleiterphysik Technische Universität Dresden Was ist Licht? Wie entsteht Licht? Anwendungen und offene Fragen

Was ist Licht? Sir Isaac Newton (1642 – 1727)

Weisses Licht besteht aus Teilchen, die man mit einem Prisma trennen kann.

Sonnenlicht warme

Emissionslinien Spektrum Spektrum 2

Gaswolke kalte

Kontinuierliches Spektrum

Absorptions Spektrum

Licht ist eine Welle Christiaan Huygens

(1629-1695)

Robert Hooke (1635 - 1703)

sin α =n sin β n Brechzahl

Interferenz - Doppelspaltexperiment

Thomas Young (1773-1829)

Wasserwellen

Interferenz am Doppelspalt Interferenzexperiment beweist Wellencharakter

James Clerk Maxwell (1831-1879) Licht ist eine elektromagnetische Welle

Heinrich Hertz (1857-1894)

elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Welle Polarisation

λ

c = λ f c = 300 000 km/s

Licht Teilchenvorstellung Isaac Newton

Wellenvorstellung Richard Hook Christian Huygens Thomas Young 1801 Louis Malus, Polarisation 1808 Augustin Jean Fresnel Joseph Fraunhofer

Erklärung der elektromagnetischen Erscheinungen: Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Hertz 1888

19. Jahrhundert:

Licht ist elektromagnetische Welle

Stand der Physik 1900

Grundsätzliche Theorien bekannt Wenige Ungereimtheiten Bessere Experimente werden Lücken füllen

Kerzenlicht Wasserdampf

Kohlendioxid

Glühender Russ Kohlenstoff, C

1000 °C Foto NASA

sauerstoffarme Zone mit Gas

Paraffin C20H42

Strahlungsintensität eines heißen Körpers

Paschen Lummer ~1900 Pringsheim

Modellvorstellung: „schwarzer Körper“

UltraviolettKatastrophe

RayleighJeans-Gesetz

sichtbar

Strahlungsintensität

Ultraviolett-Katastrophe in der klassischen Physik

Plancksches Strahlungsgesetz

Wellenlänge Å

Beginn der Quantenmechanik Max Planck

E = h f Energie

Frequenz Planck‘sches Wirkungsquantum

h = 6.627 × 10-34 Js

Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt Annalen der Physik 1905

Auch die elektromagnetische Strahlung ist quantisiert,

A. Einstein

die Strahlungsenergie ist nur in Energieportionen zu haben mit der kleinsten Portion E = hf. Die Portionen sind die Lichtteilchen (Lichtquanten = Photonen).

Elektronen Strom

Photoeffekt

Energie der Photonen: E = h f

Energie der Elektronen

Intensität des Lichts

Frequenz

Planck über Einstein 1913:

“Daß

er in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie z.B. mit der Hypothese der Lichtquanten, wird man ihm nicht allzu schwer anrechnen dürfen; denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, läßt sich auch in der exakten Naturwissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.”

Zeit nach der Quantenhypothese von Planck 1905

A. Einstein

Erklärung des Photoeffektes durch Existenz von Lichtteilchen (Photon)

1913

N. Bohr

Atommodell

1916

A. Sommerfeld Erweiterung des Atommodells

1925 W. Heisenberg E. Schrödinger P. Dirac

Matrizenmechanik Wellenmechanik Quanten-Algebra

Äquivalente Formulierungen der Quantenmechanik

Absorption

Spontane Emission

Stimulierte Emission

Schema eines Lasers Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1. lasendes Medium

Festkörper, Gas,... 2. (optisches) Pumpen

Licht, anderer Laser, Stösse im Gas,... 3. optischer Resonator

Verstärkung für stimulierte Emission

monochromatisch gerichtet kohärent

Emission dauert tc