Welcher Teilchenaspekt ist erforderlich, um den photoelektrischen oder den Compton-Effekt zu erklären?

Was meinen wir, wenn wir sagen, dass die Teilchennatur der Strahlung, dh Photonen, erforderlich ist, um den photoelektrischen oder Compton-Effekt zu erklären?

Sowohl das Photon als auch das Elektron sind Punktteilchen in der Elementarteilchentafel .

Wir können nicht sagen, dass Impuls und Energie charakteristische Eigenschaften eines Teilchens sind. Auch Wellen haben diese Eigenschaften.

Klassischerweise wird ein Teilchen nicht nur durch Energie und Impuls beschrieben, sondern auch durch einen bestimmten Schwerpunktpunkt bei (x,y,z), der es erlaubt, eine eindeutige Flugbahn unter den Anfangsbedingungen zu bestimmen. Wenn es sich um ein Punktteilchen handelt, umso mehr. Auch Aufprallpunkte sind aufgrund der Flugbahn eindeutig bekannt. Ein klassisches Teilchen trifft an einem bestimmten (y,z)-Punkt auf eine Wand.

Keines dieser beiden Verfahren (Photoelektrik und Compton) ist gut geeignet, um die Teilchennatur der Elementarteilchen darzustellen, da deren Nachweis von der durch die Häufung vieler Ereignisse messbaren Wahrscheinlichkeitsverteilung abhängt.

Der photoelektrische Effekt demonstriert, dass Photonen als einzelne Energiepakete existieren und nicht als Kontinuum klassischer Welle, die Energie trägt. Dasselbe gilt für die Compton-Streuung, bei der das Photon einen Teil seiner Energie an das Elektron abgibt. Aber beide können nicht als klare Demonstration eines klassischen Teilchenverhaltens verwendet werden, da beide von Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Trajektorien abhängen, es gibt keine Eindeutigkeit der Trajektorie für dieselben Randbedingungen.

IMO die beste Lehrdemonstration der dualen Natur von Elementarteilchen ist das Doppelspaltexperiment.

Die Teilchennatur ist der Fußabdruck jedes einzelnen Elektrons, das ein einzigartiger x,y-Punkt auf dem Bildschirm ist, wie es von einer Teilchenbahn erwartet wird. Seine Position scheint zufällig, bis sich die Wellennatur in der Häufung zeigt. Es ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die als komplex konjugiertes Quadrat der Wellenfunktion beschrieben werden kann, die "Elektronenstreuung an zwei Schlitzen" beschreibt.

Eine bessere Demonstration der Teilchennatur ist dieses Blasenkammerbild eines Pi-Mu-E-Zerfalls

Das Pion aus der Hauptwechselwirkung zerfällt zu

Dann zerfällt das Myon :

Die Bahn bis zum Abklingpunkt wirkt wie eine klassische Trajektorie, bei diesem Impuls und dem gleichen Magnetfeld hat sie die gleiche kreisförmige Bahn. Am Wechselwirkungspunkt tritt die Wahrscheinlichkeitsnatur ein, die mit der Wellennatur des Elementarteilchens verknüpft ist: Es gibt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Verteilungen, wie sich mu+ und nu_mu die Impulsenergie teilen, und dieselbe für die Verteilung von e+ nu_e und anti-nu_mu im zweiten Zerfall, und es sind Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die eine Wellennatur aufweisen.

Sofortige Antwort

Klassische elektromagnetische Strahlung, die auf eine Metallplatte auftrifft, würde ziemlich lange brauchen, um genug Energie zu sammeln, um Elektronen herauszuschleudern. Nehmen Sie eine Leistung von an$P = 1 \, \text{W}$auf einer Fläche von$A = 1 \, \text{m}^2$(korrespondierend zu$\sim 5 \cdot 10^{18}$Oberflächenatome). Wie lange dauert es, bis ein Atom die gesammelt hat?$e \Phi \sim 5 \, \text{eV} \approx 8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}$für die Ionisierung benötigt? Wenn die Leistung gleichmäßig auf alle Oberflächenatome verteilt wird, würde dies dauern$t = \frac{8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}}{5 \cdot 10^{18} \cdot 1 \, \text{W}} = 4 \, \text{s}$bis ein Atom genug Energie hat, um ein Elektron freizusetzen. Aber was Sie beobachten, ist, dass die Elektronenemission beginnt, sobald Sie das Licht einschalten. Dies allein muss bei quantisiertem Licht nicht unbedingt erklärt werden, da man auf die Idee kommen könnte, dass die Lichtintensität nicht gleichmäßig über die Metallplatte verteilt ist oder einige Mechanismen im Metall dazu neigen, die Energie auf einzelne Atome zu konzentrieren ( und dadurch Verletzung der Thermodynamik).

Energie der freigesetzten Elektronen

Der andere Punkt ist, dass ein klassisches elektromagnetisches Feld die Energie der emittierten Elektronen nicht vorschreibt. Gerade bei "klassischen" Mechanismen, die die Energie umverteilen, sollte es eine große Streuung der Energien geben. Aber was Sie beobachten, wenn Sie eine Metallplatte mit monochromatischem Licht von Photonenenergie beleuchten$h \nu$ist, dass die kinetische Energie der Elektronen sehr scharf ansteigt$E_{\text{el}} = h \nu - e \Phi$(Photonenenergie minus Bindungsenergie des Metalls).

Wenn Sie außerdem den Lichtstrom erhöhen, ändert dies nicht die Energie der Elektronen – es erhöht sich nur ihre Anzahl. Auch dafür gibt es keine klassische Erklärung. Die quantenmechanische Erklärung von Lichtquanten (Photonen), die eins zu eins mit Ladungsquanten (Elektronen) wechselwirken, löst beides – das Problem mit der Momentanantwort und das mit der Energieflussabhängigkeit.

Weitere Diskussionen finden sich beispielsweise in dieser Antwort auf eine ähnliche Frage, die vielleicht etwas zu weit geht, um sie einem Gymnasiasten zu erklären.

Compton beobachtete, dass die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlen immer größer war als die Wellenlänge der einfallenden Röntgenstrahlen. Diese Verschiebung der Wellenlänge (Frequenz) – Compton-Verschiebung kann nicht mit der klassischen elektromagnetischen Wellentheorie erklärt werden.

Im niederenergetischen Bereich wird die Streuung von Licht an einem freien geladenen Teilchen als Thomson-Streuung bezeichnet. Im klassischen Bild schwingt das geladene Teilchen im elektrischen Feld des einfallenden Lichts und sendet dabei Strahlung mit gleicher Frequenz, aber mit einer von der Intensität des einfallenden Lichts abhängigen Intensität aus.

Bei der Compton-Streuung hat das gestreute Licht eine größere Wellenlänge, was bedeutet, dass es eine niedrigere Energie hat. Diese Verschiebung hängt vom Streuwinkel und nicht von der Intensität des einfallenden Lichts ab.

Wenn Sie das Licht als elektromagnetische Welle behandeln, würden Sie in Bezug auf den photoelektrischen Effekt erwarten, dass die Photoelektronen mit einer gewissen Zeitverzögerung ausgestoßen werden, da die elektromagnetische Welle kontinuierlich Energie überträgt. Aber genau das passiert nicht.

Auch sollte aus klassischer Sicht die Lichtintensität die kinetische Energie der Photoelektronen beeinflussen, da eine höhere Intensität ein höheres elektrisches Feld bedeutet. Aber was passiert ist, dass die Lichtintensität die Anzahl der Photoelektronen beeinflusst, nicht ihre kinetische Energie. Ein weiteres Argument ist, dass der photoelektrische Effekt nur auftritt, wenn das einfallende Licht genügend Energie hat. Im klassischen Bild sollte der photoelektrische Effekt bei ausreichender Lichtintensität unabhängig von der Frequenz auftreten. Der photoelektrische Effekt tritt jedoch nur auf, wenn die Frequenz des Lichts eine Grenzfrequenz überschreitet.