der Photo- und Compton-Effekt als Wellentheorie
Hallo Hartmut!
Ich würde sagen, Borns Ansicht sind allgemein stark vertreten. Ich denke, dass ich diese Ansicht schon kommentiert habe. ZB.: Interpretation der Wellenfunktion.
Meine Meinung wäre natürlich sehr naiver Natur, wenn ich den Photoeffekt und Compton-Effekt nicht einbeziehen würde. Wie gesagt, kann ich mich unmöglich mit der Zufallstheorie der Quantenphysik zufrieden geben. Sie erschien mir schon immer unlogisch und nicht haltbar. Zahlreiche Überlegungen haben mich zu der Überzeugung gebracht, dass die Zufallstheorie gelöst werden kann, wenn man auf die Teilchentheorie verzichtet. Ich setze mich mit dem Problem schon lange auseinander und mittlerweile haben sich meine Ansichten verhärtet, dass man auf die Teilchentheorie verzichten kann.
Selbstverständlich ist mir klar, dass ich, wenn ich auf die Teilchentheorie verzichten möchte, eine alternative Theorie für den Photo- und Compton-Effekt schaffen müsste.
Auch wenn es dir vielleicht überheblich und allzu gewagt erscheint, möchte ich dir meine Überlegungen im Folgenden näher bringen. Ich bitte dich im Voraus um einwenig Geduld beim Lesen und um eine offene Einstellung meinen Gedanken gegenüber.
Ich denke, sowohl der Photo- als auch Compton-Effekt lassen sich mit der Wellentheorie erklären.
1.) der Photoeffekt
Ultraviolettes Licht löst Elektronen aus einer Metalloberfläche. Die kinetische Energie der Elektronen ist dabei unabhängig von der Intensität des Lichtes, nimmt aber mit der Frequenz des einfallenden Lichtes zu. Unterhalb einer Grenzfrequenz treten keine Elektronen mehr aus der Metalloberfläche aus.
Einstein, der Begründer der Photonenhypothese meinte dazu:
"Nach der Auffassung, dass das einfallende Licht aus Photonen der Energie hf bestehe, lässt sich die Erzeugung von Elektronen durch Licht folgendermaßen auffassen: In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Photonen ein und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, dass ein Photon seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt. Außerdem muss jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit W verrichten."
Gehen wir jedoch davon aus, dass Licht eine Welle ist wie die Elektronen im Metallgitter des Körpers eine Welle sind, so müssten wir die Vorstellung von Photonen, die ihre Energie auf ein Elektron übertragen, aufgeben. Damit der Effekt erklärbar bleibt, müssen wir davon ausgehen, dass die Elektronen im Metallgitter eine Welle darstellen. Diese Wellen sind aufgrund der elektrostatischen Kräfte der Atomrümpfe in ihrem Bereich des Metallgitters gebunden. Sie (die „Elektronenwellen“) schwingen zwischen den Atomrümpfen hin und her. Zwischen den Atomrümpfen ist nur eine gewisse Wellenlänge möglich. Diese Wellenlänge hängt von den Metallatomen und ihren äußersten Elektronen ab, die sie sich im Metallgitter frei bewegen. Dazu will ich die Deutungen der Atomphysik heranziehen: Die Elektronen eines Atoms können wir uns als stehende Wellen denken. Jedes Atom kann nur eine gewisse Zahl von diesen stehenden Wellen binden, ähnlich wie eine Saite nur konkrete stehende Wellen hervorbringen kann, die mit der Eigenschwingung der Saite übereinstimmen.
Daher müssen wir davon ausgehen, dass auch die freibeweglichen Elektronen im Metallgitter nur eine bestimmte Wellenlänge haben können - die Wellenlänge der Äquivalenzelektronen der Metallatome. Trifft nun von außen eine elektromagnetische Welle auf diese Elektronen, kann es passieren, dass sich die Wellenlänge dieser Elektronen ändert. Wird die Wellenlänge kleiner und somit die Elektronen energiereicher, so liegt es nahe, dass die Atomrümpfe die Elektronen nicht länger halten können und sie verlassen das Metallgitter. Sie verlassen das Metallgitter deshalb, weil das Metallgitter nur fähig ist Elektronen einer bestimmten Wellenlänge zu halten. Beim Verlassen werden sie jedoch einen Teil ihrer Energie wegen der Bindungskräfte der Atomrümpfe wieder abgeben müssen. Das würde erklären, warum die Gesamtenergie der austretenden Elektronen geringer ist, als die einfallende Energie des Lichtes.
Es ist jedoch auch denkbar, dass gar keine Elektronen aus dem Metallgitter treten. Das wird der Fall sein, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichtes geringer ist, als die nötige Wellenlänge, die die Elektronen haben müssten, um das Metallgitter zu verlassen. Wir müssen uns das so vorstellen: Die Lichtwellen überlagern sich mit den „Elektronenwellen“, so dass die „Elektronenwellen“ vom Zustand der stehenden Wellen zu bewegten Wellen werden. Die Bindungskräfte der Atomrümpfe würde die Bewegung der Elektronen jedoch wieder drosseln (ansonsten würden die Elektronen das Gitter verlassen), so dass sie ihre Energie wieder abgeben müssen und zwar in Form von elektromagnetischen Wellen. -> Sie senden Licht aus. Insofern hängt das Austreten der Elektronen aus dem Metallgitter nur von der Frequenz des Lichtes, nicht aber von der Intensität desselben ab.
Die Elektronen, die das Metallgitter verlassen, müssten dieser Theorie nach eine geringere de Broglie-Wellenlänge haben, als das einfallende Licht und zwar um den Faktor
hf – W
wobei hf die Energie des Lichtes ist und W die für den Körper charakteristische Arbeit, die notwendig ist, damit die Elektronen das Metallgitter des Körpers verlassen können.
Die Vorteile der eben geschilderten Theorie sind folgende:
1. lässt sich verstehen, warum die Elektronen hauptsächlich in Richtung des elektrischen Feldstärkevektors, also senkrecht zur Richtung des einfallenden Lichtes emittiert werden. Es handelt sich hierbei nämlich um einen typischen „Welleneffekt“. Dies lässt sie durch die Photonentheorie nicht verstehen.
2. ist noch klarer, warum keine Elektronen das Metallgitter unterhalb der Grenzfrequenz verlassen. Bei der Photonentheorie hätte man noch behaupten können, dass, wenn die Intensität sehr hoch ist, ein Elektron theoretisch von zwei Photon getroffen werden könnte und somit dennoch das Metallgitter verlassen kann, ohne dass die Grenzfrequenz überschritten wird.
Und 3. würde der Verzicht auf die Vorstellung von Photonen wesentliches dazu beitragen, dass man die Teilchentheorie fallen lassen und damit auf den sicheren Zufall als Faktum verzichten könnte.
2.) der Compton-Effekt
Streut man Röntgenstrahlen an einem Körper, wie z.B. einem Grafitblock, so verringert sich ihre Frequenz. Die Photonen geben ihre Energie teils an Elektronen ab und energieärmere Photonen kommen gestreut zurück.
Wenn man die obere Theorie betrachtet, ist es bis zur Erklärung des Compton-Effekts durch die Wellentheorie nur noch ein kleiner Schritt.
Treffen Lichtwellen auf die Elektronen eines Atoms, so geschieht meiner Wellentheorie nach folgendes: Die Elektronen, die man sich als stehende Wellen im Atom denken kann, überlagern sich mit den einfallenden Lichtwellen. Dadurch werden aus den stehenden Wellen kurzzeitig bewegte Wellen, die dazu neigen ihr Orbital zu verlassen. Die Anziehungskraft des Atomkerns und die Ordnung des Atoms selbst verhindern dies jedoch, somit müssen die Elektronen ihre Energie wieder abgeben. Das tun sie indem sie Lichtwellen aussenden. In dem Fall ist die Lichtenergie des einfallenden Lichtes die dem emittierten Lichtes nahezu gleich. Sind jedoch die Elektronen nicht so strikt am Atomkern gebunden oder befinden sie sich gar in einem Metallgitter sieht die Sache anders aus. Im Metallgitter, wo die Elektronen sich praktisch völlig frei bewegen, wird die gesamte Energie der Lichtwellen auf die „Elektronenwellen“ übertragen. Ist die Frequenz des Lichtes, das sich mit den Elektronenwellen im Metallgitter überlagert, hoch genug, so können die Elektronen das Metallgitter verlassen. Wie oben beschrieben.
Ist es nun jedoch so, dass die Elektronen nur mäßig frei beweglich sind, wie im Graphit, so ergibt sich wieder ein anderer Effekt: Die Lichtwellen überlagern sich mit den „Elektronenwellen“ im Graphit. Aus den stehenden „Elektronenwellen“ werden nun bewegte. Aufgrund ihrer eingeschränkten Bewegungsfreiheit müssen die Elektronen die Energie, die über diese Bewegungsfreiheit hinausgeht, wieder abgeben und zwar indem sie Lichtwellen aussenden. Einen Teil der Energie können sie aber für sich behalten, weil sie schließlich einen gewissen Bewegungsraum haben, damit wird die Energie des ausgesandten Lichtes geringer sein, als die Energie des einfallenden Lichtes. Die Frequenz ist somit nach der Streuung am Graphitblock geringer.
In der Hoffnung dies Geschriebene macht einwenig Sinn für dich
Ben