Warum kann die Wellentheorie den photoelektrischen Effekt nicht erklären und liefert Beweise für die Teilchennatur des Lichts?

Ich bin in der Lage zu verstehen, wie Licht modelliert werden kann, um Welleneigenschaften aus Youngs Doppelspaltexperiment zu haben.

Aber ich kann nicht verstehen, wie wir Licht so verstehen können, dass es Teilcheneigenschaften aus dem photoelektrischen Experiment hat. Wie kann der Wellencharakter die in diesem Experiment beobachteten Phänomene nicht erklären? Und wie kommt es, dass die Teilchennatur die Wellentheorie besiegt?

Antworten (3)

Es gab Versuche, den photoelektrischen Effekt zu beschreiben, indem man das EM-Feld als klassische Welle betrachtete. Für eine Diskussion siehe eine vorherige Frage " Kann der photoelektrische Effekt ohne Photonen erklärt werden? ". Eine der Antworten beschreibt, dass der photoelektrische Effekt gut erklärt werden kann, wenn man das EM-Feld mehr oder weniger als eine klassische Welle betrachtet. Um andere experimentelle Daten zu erklären, wird jedoch eine quantisierte Version von EM-Wellen benötigt.

Zum zweiten Teil Ihrer Frage "Und wie kommt es, dass die Teilchennatur die Wellentheorie besiegt?" Das Obige bedeutet nicht, dass diese "Wellenquanten" (oder Photonen) Teilchen im Sinne von lokalisierten Objekten sind, die im Raum herumfliegen, bis sie ein Atom "schlagen", das ein Elektron herausschleudert. Ein Photon als Quant der Wellen ist nicht lokalisierbar oder verfolgbar wie man es sich unter einem Teilchen vorstellt. Einige Physiker bezeichnen diese Photonen als Teilchen, die zu Verwirrung führen könnten (z. B. durch welchen Spalt sind sie in diesen Doppelspaltexperimenten geflogen), aber unter dem Strich können sie die Quantenversion von nicht besiegen, selbst wenn Sie diese Quantenteilchen nennen die Wellentheorie.

Warum schaust du dir nicht dieses Video an , ein Abitur-Tutorial für den photoelektrischen Effekt.

Zusammenfassung der Beobachtungen des rätselhaften photoelektrischen Effekts:

  1. Die Elektronen wurden sofort emittiert - keine Zeitverzögerung!

  2. Eine Erhöhung der Lichtintensität erhöhte die Anzahl der Photoelektronen, aber nicht ihre maximale kinetische Energie!

  3. Rotes Licht verursacht keinen Ausstoß von Elektronen, egal wie intensiv es ist!

  4. Ein schwaches violettes Licht wird nur wenige Elektronen ausstoßen, aber ihre maximale kinetische Energie ist größer als die von intensivem Licht mit längeren Wellenlängen!

Wesentlich ist, dass der Effekt bei einer Grenzfrequenz verschwindet und nicht von der Intensität des auf das Metall auftreffenden Lichts abhängt .

photoelektrisch

Ein Wellenformalismus kann all dies nicht erklären, denn die Energie in Wellen ist additiv, je intensiver der Strahl, desto mehr Energie liefert er, aber die photoelektrischen Experimente zeigen, dass dies nicht für "Lichtwelle" + "Elektronen in Metall" gilt. Streuung.

Egal wie stark der einfallende Lichtstrahl ist, wenn er unter einem Frequenzschwellenwert liegt (abhängig vom Metall), werden die Elektronen sich nicht bewegen. Es zeigt eine Eins-zu-Eins-Korrelation, die nur ein Teilchenmodell erklären kann.

@JanBos du hast es gerade gesagt, in Gasen. Es gibt immer noch die Metalle. Darüber hinaus liegt das Verständnis von QFT außerhalb des Bereichs der Laien in der Physik
@JanBos Als Experimentator würde ich eher von gemessenen Teilchen sprechen, dh Annäherungen an klassische Konzepte. Für mich ist QFT ein weiteres gutes mathematisches Modell der Natur, nicht der Natur. Es als Äther zu verwenden, auf dem das „Teilchen“-Konzept als Welle reitet, wird meiner Meinung nach zweimal aus den Daten entfernt.
Das Photon hat nichts mit Partikeln zu tun, und es auf diese Weise zu verwenden, trägt nicht zum Verständnis bei. Es schafft meiner Meinung nach tatsächlich mehr Verwirrung. Deshalb habe ich das Beispiel des photoelektrischen Effekts in Gasen erwähnt, bei dem der Partikelbegriff im Vergleich zum photoelektrischen Effekt auf Metall auf sehr klare Weise zur Beschreibung der Daten ungeeignet ist.
@JanBos Schauen Sie sich dieses einzelne Photon nach dem anderen an, Doppelspalt, und sagen Sie mir, es gibt nichts Vergleichbares wie ein Teilchen sps.ch/en/articles/progresses/… . Punkte sind schließlich Fußabdrücke klassischer Teilchen
Diese Punkte sind eine Folge der Wechselwirkung des EM-Feldes mit der in den Detektoren verwendeten Materie. Siehe Fermis goldene Regel. Es sind keine Partikel erforderlich, um sie zu beschreiben.
@JanBos sicher, wenn Sie gut in Mathematik sind. Aber das Gleiche gilt für Einschusslöcher und Sandstrahllöcher, sie sind Fußabdrücke, die ein "Teilchen" passiert hat, elektromagnetisch mit Materie wechselwirkend, das ist es, was wir im Alltag unter "Teilchen" verstehen.
@Annav, diese Antwort kommt nicht zum "Warum" der Angelegenheit, da es aufgrund der beteiligten Größenskalen im Prinzip eine klassische Wellenlängenschwelle geben könnte. Das heißt, wenn die Wellenlängen im Vergleich zur atomaren Skala zu groß werden, wird die Polarisierbarkeit wichtig, die EM-Felder werden effektiv abgesenkt, die lange Wellenlänge "sieht" nur das neutrale Atom als Ganzes usw.
@ user1247 Was Sie beschreiben, benötigt Zahlen für die Abmessungen des Metallgitters usw., und auch Diskontinuitäten sind mit klassischen Wellen schwer zu modellieren. Hast du einen Link?
@Annav, Sie haben eine konzeptionelle Antwort gegeben ("Ein Wellenformalismus kann dies nicht erklären, da die Energie in Wellen additiv ist, je intensiver der Strahl, desto mehr Energie liefert er"), und ich habe lediglich darauf hingewiesen, dass diese konzeptionelle Antwort ist fehlerhaft, weil es leicht ist, plausible konzeptionelle Gründe dafür zu finden, warum der Wellenformalismus ein solches Verhalten leicht berücksichtigen könnte. Der Punkt ist, dass eine Antwort, die tatsächlich erklärt, warum dies ein Beweis für Photonen ist, ansprechen sollte, warum der klassische Formalismus trotz absolut plausibler Gründe, warum dies möglich ist, nicht funktioniert.
@Anna Das Video ist sehr elementar und entspricht nicht meinen Bedürfnissen. Aber ich mag die Antwort, die Sie gegeben haben. Und dennoch könnte ich neben der Frequenz noch eine weitere Erklärung für das Versagen der Wellentheorie gebrauchen.
@Anna Ich habe versehentlich einige meiner Kommentare auf meinem Smartphone gelöscht, aber die Wellentheorie des EM-Felds kann immer noch den photoelektrischen Effekt erklären, wie ich in meiner Version einer Antwort betont habe. Dass dieser Effekt zu Partikeln führt, ist eine Art urbaner Mythos. Aber noch schlimmer, es führt zu Verwirrung, wenn man über andere Experimente mit EM-Wellen wie dem Doppelspalt spricht, der so etwas wie den photoelektrischen Effekt für seine Detektoren nutzt.

Nehmen Sie es andersherum, denn sowohl die Emission als auch die Absorption von EM-Strahlung sind Photonen eine gute Beschreibung. Das photoelektrische Phänomen ist ein gutes Beispiel dafür, dass EM-Strahlung aus Photonen besteht.

Die Beschreibung der EM-Strahlung als Welle hat einige Schwächen. Bei einer thermischen Quelle von EM-Strahlung kann man weder die Amplitude noch die Wellenlänge direkt messen. Bei einer monochromatischen Quelle (mit kleiner Apertur) kann man hinter einem Doppelspalt die Abstände zwischen den Streifen der Intensitätsverteilung messen, was durch die Interferenz der von den beiden Spalten ausgehenden Kreiswellen erklärt wird (Huygens-Prinzip). Da aber hinter jeder einzelnen scharfen Kante und sogar bei einem Strom einzelner emittierter Photonen das Phänomen der Streifen auftritt, ist die Erklärung mit dem Huygens-Prinzip für diesen Fall nicht haltbar. Darüber hinaus wird der Beweis für die Wellennatur aus einem Muster erbracht, dessen Intensitätsverteilung die Gleichung einer Welle (eine Sinusgleichung) hat.

Aber wirklich gibt es EM-Strahlung mit direkt messbarer Frequenz. Radiowellen werden erzeugt, indem Elektronen in einem Antennenstab durch einen Wellengenerator vorn und hinten beschleunigt werden. Dies induziert die Emission von Photonen. Eine solche EM-Strahlung hat eindeutig die Eigenschaften einer Energieübertragung mit Wellencharakteristik.

Die Beschreibung von monochromatischer EM-Strahlung mit zugehöriger Wellenlänge/Frequenz ist hilfreich, aber nicht notwendig. Die Beschreibung durch die Energie der beteiligten Photonen reicht aus.

Weitere Informationen zu Photonen, EM-Strahlung und Radiowellen finden Sie in dieser Antwort .

Warum kann die Wellentheorie den photoelektrischen Effekt nicht erklären und liefert Beweise für die Teilchennatur des Lichts?
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