Forscher auf der Jagd nach einzelnen Photonen

Das Atom im Spiegel

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Warum können wir diesen Text lesen? Weil das vom Blatt reflektierte Licht die Schriftinformation in unsere Augen transportiert. Dort wandeln Sehzellen sie in Nervensignale um. Diese „Wechselwirkung“ zwischen Licht und Materie, wie die Physik solche Vorgänge nennt, geschieht permanent in unserer Welt. Pflanzen gewinnen damit Energie aus Sonnenlicht, setzen Sauerstoff frei und wachsen. Dank der Licht-Materie-Wechselwirkung können wir also sehen, atmen und essen. Aber was geschieht da ganz genau, wenn Licht auf Materie trifft? Oder wenn umgekehrt Materie Licht ausstrahlt?

Solche Fragen haben vor über hundert Jahren zur Geburt der Quantenphysik geführt. Im späten 19. Jahrhundert kam es zum Streit, ob Licht von Gaslampen oder von elektrischen Glühbirnen „besser“ sei. Doch wie sollte man so unterschiedlich erzeugtes Licht vergleichen? Dazu brauchte man eine ideale Lichtquelle als Maßstab. Die Lösung kam aus der Physik in Form des Hohlraumstrahlers. Diese seltsame Lichtquelle besteht aus einem hohlen Raum, dessen Wände zum Glühen gebracht werden. Dadurch füllt sich der Hohlraum mit Licht, also einem elektromagnetischen Feld. Durch ein kleines Loch kann es den Strahler verlassen. Aber was macht dieses Licht ideal? Die Antwort lautet: Seine Eigenschaften hängen allein von der Temperatur der Hohlraumwände ab. Ihr Material spielt keine Rolle, anders als zum Beispiel beim Licht einer Gasflamme.

Die Hohlraumstrahlung führte damals jedoch zu einem Rätsel, über das sich zahlreiche Physiker den Kopf zerbrachen – und scheiterten. Tatsächlich wollte keinem eine Formel gelingen, die das gemessene Spektrum der Hohlraumstrahlung korrekt beschreibt. Erst Max Planck fand sie im Jahr 1900 mit Hilfe eines Tricks: Er baute in seine Strahlungsformel ein „Wirkungsquantum h ein (Abb. A) – und begründete damit ungewollt die Quantenphysik. Die enormen Konsequenzen konnte damals niemand erahnen, denn die Planck’sche Konstante ist „megawinzig“: h  6,6 × 10–34 Joule × Sekunde. Das ist eine Zahl mit 33 Nullen nach dem Komma! Quantensprünge sind eben die kleinstmöglichen Sprünge in der Natur.

<p class="Default"><strong>Abb. A: Eine clevere Idee</strong></p>
<p class="Default">Max Planck findet 1900 die richtige Formel f&uuml;r das Spektrum eines Hohlraumstrahlers. Als Trick f&uuml;hrt er ein Wirkungsquantum <em>h</em> ein. Damit revolutioniert er ungewollt die Physik.</p> Bild vergrößern

Abb. A: Eine clevere Idee

Max Planck findet 1900 die richtige Formel für das Spektrum eines Hohlraumstrahlers. Als Trick führt er ein Wirkungsquantum h ein. Damit revolutioniert er ungewollt die Physik.

1905 zündete Albert Einstein die zweite Stufe der Quantenrevolution. Erneut ging es um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Er fand die Lösung für ein weiteres Rätsel der Physik, den Fotoeffekt. Im 19. Jahrhundert hatte man entdeckt, dass Licht mit seiner Energie Elektronen aus Metallen oder Halbleitern herausschlagen kann. Dabei zeigte sich, dass die Energie der freigesetzten Elektronen allein von der Frequenz des Lichts abhängt. Wie intensiv die Lichtquelle strahlt, spielt keine Rolle. Einstein erkannte, dass dies mit Quantensprüngen zu tun hatte. Er entdeckte ein grundlegendes Gesetz der Quantenphysik. Die Energie E des Lichts, die ein Elektron aufnehmen kann, entspricht der Lichtfrequenz f multipliziert mit dem Planck’schen Wirkungsquantum: E = h× f. Damit war die Idee vom Lichtquant oder Photon geboren. Nach diesem Bild überträgt ein solches Photon seine frequenzabhängige Energie portionsweise auf Materie. Das war damals revolutionär. Rund hundert Jahre zuvor hatte schließlich der Brite Thomas Young mit seinem berühmten Doppelspaltexperiment bewiesen, dass Licht sich wie eine Welle verhält. Einstein bekam für seine Entdeckung 1921 den Nobelpreis für Physik. 1923 erhielt ihn der Amerikaner Robert Millikan unter anderem für Experimente, mit denen er Einsteins Beschreibung des Fotoeffekts bestätigte.

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