Lernreise · Etappe 3

Woraus besteht Licht?

Um 1900 galt als ausgemacht: Licht ist eine Welle. 1905 behauptete ein 26-jähriger Angestellter des Patentamts in Bern, Licht komme in einzelnen Paketen. Drei Stationen: Bei jeder legst du dich zuerst fest, dann prüfst du es im Experiment nach.

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Der Photoeffekt

Licht kann aus einem Metall Elektronen herausschlagen. Dabei geschah aber etwas, das nicht zur Vorstellung von Licht als Welle passte. Im März 1905 schlug Einstein eine Erklärung vor: Licht besteht aus einzelnen Energiepaketen, den Lichtquanten. Heute nennt man sie Photonen.

Die Stationen brauchen JavaScript. Die Experimente selbst stehen auch in den Kapiteln Quantenphysik, E = mc² und Wunderjahr.

Interaktiv · Photoeffekt

Licht trifft Metall

2,07 eV
Energie eines Lichtquants · nötig zum Herauslösen: 2,30 eV
0
Elektronen pro Sekunde (Modell)
0,00 eV
Bewegungsenergie der schnellsten Elektronen

Keine Elektronen: Jedes Lichtquant hat nur 2,07 eV, nötig sind 2,3 eV. Mehr Helligkeit ändert daran nichts.

Modell eines natriumähnlichen Metalls: Austrittsarbeit 2,3 eV, die Schwelle liegt bei 5,6 · 10¹⁴ Hz (grünes Licht, etwa 540 nm). Lichtquanten und Elektronen sind stark ausgedünnt und verlangsamt gezeichnet. Im Modell löst jedes Lichtquant über der Schwelle ein Elektron aus; in Wirklichkeit gelingt das nur einem kleinen Teil.

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E = mc²

Im September 1905 schickte Einstein einen Nachtrag von drei Seiten hinterher: Gibt ein Körper Energie ab, wird er leichter. Masse und Energie sind zwei Seiten derselben Sache. Daraus wurde die berühmteste Formel der Physik.

Die Stationen brauchen JavaScript. Die Experimente selbst stehen auch in den Kapiteln Quantenphysik, E = mc² und Wunderjahr.

Interaktiv · E = mc²

Energie-Rechner

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Vergleiche: ein deutscher Haushalt braucht rund 2 500 kWh Strom im Jahr; die Hiroshima-Bombe setzte etwa 6,3 · 10¹³ Joule frei. Vollständig in Energie verwandeln lässt sich Masse fast nie – bei der Kernfusion in der Sonne werden etwa 0,7 Prozent umgewandelt.

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Das Wunderjahr 1905

Lichtquanten und E = mc² stammen aus demselben Jahr. 1905 war Einstein 26, arbeitete als Prüfer im Patentamt in Bern und schrieb nebenbei fünf Arbeiten, darunter seine Doktorarbeit. Heute nennt man dieses Jahr sein Wunderjahr.

Die Stationen brauchen JavaScript. Die Experimente selbst stehen auch in den Kapiteln Quantenphysik, E = mc² und Wunderjahr.

Interaktiv · Kalender

Das Jahr 1905, Tag für Tag

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  • Datiert / fertig
  • Eingereicht in Zürich
  • Eingang bei den Annalen
  • Erschienen
  • 14. März: Einsteins 26. Geburtstag

1 Lichtquanten

„Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“

Annalen der Physik 17, S. 132–148

  • Datiert / fertig: 17. März 1905 Einstein war 26 Jahre und 3 Tage alt.
  • Eingang bei den Annalen: 18. März 1905 Einstein war 26 Jahre und 4 Tage alt.
  • Erschienen: 9. Juni 1905 Einstein war 26 Jahre und 87 Tage alt.

Was sie verändert hat: Licht besteht aus Energiepaketen, den Lichtquanten – das erklärte den Photoeffekt, half die Quantentheorie zu begründen und brachte ihm den Nobelpreis.

Wo die Quellen abweichen: Die deutsche Wikipedia nennt den 17. März: So ist das Manuskript am Ende datiert („Bern, den 17. März 1905“). Eingegangen ist es laut Heft am 18. März.

Mehr dazu: Quanten & die große Debatte

Quellen: Annalen der Physik 17 (1905), S. 132–148 (Faksimile) · en.wikipedia: Annus mirabilis papers · de.wikipedia: Annus mirabilis · de.wikipedia: Albert Einstein

Quellen:
  1. Wikipedia: Photoelektrischer Effekt
  2. Wikipedia (englisch): Photoelectric effect – Millikans Messungen von 1914
  3. Wikipedia: Robert Andrews Millikan
  4. Wikipedia: Äquivalenz von Masse und Energie
  5. Wikipedia (englisch): Sun – 0,7 Prozent und 4,26 Milliarden Kilogramm pro Sekunde
  6. Wikipedia (englisch): Annus mirabilis papers
  7. Nobelprize.org: The Nobel Prize in Physics 1921